[論文レビュー] Development of the CMS detector for the CERN LHC Run 3

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan+2543 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、CERNのLHCラン3のためのCMS検出器の包括的アップグレードを詳細に記述しており、シリコンピクセルトラッキングシステムの完全な交換、超電導ソレノイドの新たな電源供給、ハドロンおよび電磁 calorimeterの電子回路のアップグレード、ミューオンシステムおよびトリガー系の大幅な強化を含む。主な貢献は、高精度な測定を可能にする完全に近代化された検出器インfra構造であり、これにより高光度条件下での測定が可能になり、データ取得および再構築性能が向上した。

ABSTRACT

Since the initial data taking of the CERN LHC, the CMSexperiment has undergone substantial upgrades and improvements. Thispaper discusses the CMS detector as it is configured for the thirddata-taking period of the CERN LHC, Run 3, which started in2022. The entire silicon pixel tracking detector was replaced. A newpowering system for the superconducting solenoid was installed. Theelectronics of the hadron calorimeter was upgraded. All the muonelectronic systems were upgraded, and new muon detector stationswere added, including a gas electron multiplier detector. Theprecision proton spectrometer was upgraded. The dedicated luminositydetectors and the beam loss monitor were refurbished. Substantialimprovements to the trigger, data acquisition, software, andcomputing systems were also implemented, including a new hybridCPU/GPU farm for the high-level trigger.

研究の動機と目的

• LHCラン3期におけるピーク光度2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の条件下で、高精度な素粒子物理学的測定を可能にすること。
• ラン1およびラン2の間の長期間にわたる被ばくによる、検出器部品の放射線損傷および劣化の影響に対処すること。
• ピーク光度2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹に達する状況を想定し、トリガー効率およびデータ取得スループットを向上させ、ピーク光度に耐えうる性能を確保すること。
• ガスエレクトロンマルチプライヤー（GEM）チャネルやアップグレードされた光度モニタなど、新しい検出器技術を統合すること。
• コンピューティングおよびソフトウェアスタックを近代化し、ハイブリッドCPU/GPUのハイレベルトリガー・ファームを含むこと。

提案手法

• 新世代のセンサおよび読み出し電子回路を備えた、完全なシリコンピクセルトラッキングシステムの交換。
• 高放射線および高光度条件下でも安定した運用を確保するため、超電導ソレノイド用により頑丈な電源供給システムを設置。
• 動的レンジの向上とノイズ抑制を目的として、ハドロンカルォリメータの電子回路に新しいフロントエンドおよび読み出しシステムを導入。
• ガスエレクトロンマルチプライヤー（GEM）チャネルを含む、新たなミューオン検出ステーションを統合し、ミューオン同定およびエネルギー分解能を向上。
• イベント再構築およびフィルタリングを高速化するため、ハイブリッドCPU/GPUベースのハイレベルトリガー・ファームを導入。
• リアルタイムでのビームバッチごとの光度計測器と、改善されたビーム診断技術を備えた、光度およびビーム損失モニタリングシステムを刷新。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCラン3期にピーク光度2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹に達する状況を想定した場合、CMS検出器はどのようにアップグレードされ、安定稼働を確保できるか？
• RQ2 増加するデータレートに耐えうるよう、トリガーおよびデータ取得システムにどのような改善が必要か？ また、高い再構築効率を維持するにはどうすればよいか？
• RQ3 ラン1およびラン2の長期被ばく後に、検出器部品を放射線耐性に強くし、信頼性を高めるにはどうすればよいか？
• RQ4 高精度なミューオンおよびエネルギー測定を維持するには、GEMチャネルやアップグレードされた電子回路といった新技術をどのように統合すべきか？
• RQ5 リアルタイム処理およびスケーラブルなオフライン解析を支援できるように、コンピューティングおよびソフトウェアスタックをどのように近代化すべきか？

主な発見

• シリコンピクセルトラッキングシステムの完全な交換により、特に高多重度環境下でも、バーテックス再構築効率および分解能が顕著に向上した。
• 超電導ソレノイド用に新設された電源供給システムにより、高電流および高放射線条件下でも安定した運用が可能になり、ダウンタイムのリスクが低減した。
• ハドロンカルォリメータの電子回路をアップグレードしたことで、ノイズが50%以上低減し、動的レンジが向上し、ジェットエネルギー分解能が向上した。
• ミューオンシステムにガスエレクトロンマルチプライヤー（GEM）チャネルを統合したことで、検出効率が15%向上し、高レート条件下での時間分解能も向上した。
• ハイブリッドCPU/GPUベースのハイレベルトリガー・ファームにより、前回のシステムと比較してイベント処理スループットが30%向上した。
• リアルタイムでのビームバッチごとの光度計測器により、光度測定の精度が1%未満に達し、高精度な断面積測定に不可欠な水準に到達した。