[論文レビュー] Performance of Michigan sMDT Prototype Chambers for the HL-LHC ATLAS Muon Detector Upgrade

K. Nelson, Y. Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Particle Detector Development and Performance参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ミシガン大学が開発した2つのプロトタイプ小径モニタードリフトチューブ（sMDT）チャネルが、HL-LHC ATLASミューオン検出器アップグレード用に果たす性能を評価している。宇宙線ミューオンを用いて、チャネルはそれぞれ101.8±7.8 µmおよび103.7±8.1 µmのトラッキング分解能を達成し、106 µmという設計目標を満たした。さらに高利得電子回路を用いることで、分解能は83.4±7.8 µmまで向上した。平均効率は98.5±0.2%であった。これは、量産に向けた準備が整っていることを確認するものである。

ABSTRACT

A new small-diameter Monitored Drift Tube (sMDT) chamber has been developed for the muon spectrometer of the ATLAS experiment to handle the higher collision rates expected at the CERN High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). This paper presents measurements of the tracking resolution and hit efficiency of two prototype sMDT chambers constructed at the University of Michigan. Using cosmic-ray muons the sMDT tracking resolution of 103.7$\pm8.1$ extmu m was measured for one chamber and 101.8$\pm$7.8 extmu m for the other, compared with a design resolution of 106 extmu m. A further tracking resolution improvement to 83.4$\pm$7.8 extmu m was obtained by using new high-gain readout electronics which will be added for HL-LHC. An average tracking efficiency of (98.5$\pm$0.2)\% was found for both chambers. The methodology used to determine the detector tracking resolution and efficiency, including reconstruction of sMDT data and a Geant4 simulation of the test chamber, is presented in detail.

研究の動機と目的

• HL-LHC ATLASミューオンスペクトロメータアップグレード用のプロトタイプsMDTチャネルのトラッキング分解能と効率を検証すること。
• sMDTチャネルが106 µmの1ヒット分解能および94%のレイヤー効率という設計仕様を満たしているかどうかを評価すること。
• r(t)キャリブレーションおよび多重散乱のデコンボリューションを含む、分解能および効率を測定するための堅牢な手法の開発と適用。
• 高利得リードアウト電子回路（ASD-2）を用いて、設計目標を上回る分解能向上の可能性を示すこと。

提案手法

• 各ドリフトチューブの時間-空間変換関数を求めるために、線形化最小二乗法を用いたイン・サイト r(t) キャリブレーション。
• 大型シンチレーショントリガーシステムによるトリガータイミングのずれを補正するための Δt₀ パrameter の導入。
• 宇宙線ミューオンスペクトルをモデル化し、多重コッホルム散乱効果をシミュレートするためにGeant4シミュレーションの実装。
• 測定された分解能データを半径方向のビンに分け、シミュレートされた散乱分布をフィットすることで、多重散乱効果のデコンボリューションを実施。
• 残差対半径曲線を2次多項式で繰り返しフィッティングし、位置依存の分解能不確実性をモデル化。
• キャリブレーション、トラックフィッティング、信号タイミング、シミュレーションの各コンponentにわたる誤差伝搬を用いた系統的不確実性の推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトタイプsMDTチャネルは、宇宙線条件下で106 µmという目標トラッキング分解能を達成できるか？
• RQ2 高利得ASD-2電子回路の追加によって、測定されたトラッキング分解能はどのように変化するか？
• RQ3 sMDTチャネルの固有のヒット効率は何か？ 94%という設計目標と比較するとどうか？
• RQ4 多重コッホルム散乱および信号伝搬時間は、分解能の劣化にどの程度寄与しているか？
• RQ5 r(t)キャリブレーションおよびソフトエレクトロン成分に起因する系統的不確実性は、最終的な分解能および効率測定にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• プロトタイプsMDTチャネルは、BMGチャネルで103.7±8.1 µm、BISチャネルで101.8±7.8 µmの1ヒットトラッキング分解能を達成し、いずれも106 µmという設計目標内に収まった。
• 高利得ASD-2電子回路を用いることで、BISチャネルの分解能は83.4±7.8 µmに向上し、設計仕様を著しく上回った。
• 両チャネルの測定されたヒット効率は(98.5±0.2)%であり、すべてのレイヤーおよびチューブで優れた性能を示した。
• 主な非効率要因は、活性ガス体積間の0.9 mmのギャップ（2つの0.4 mmチューブ壁と0.1 mmの間隔）に起因し、チューブ壁領域が残りの非効率の大部分を占めていた。
• 系統的不確実性は、トラックフィッティング（5.5 µm）、統計的フラクチュエーション（3.5 µm）、信号伝搬時間（2.2 µm）が支配的であり、2つのチャネルの総合分解能不確実性は8.1 µmおよび7.8 µmであった。
• デコンボリューション手法は、多重散乱を効果的に補正でき、実際のミューオン運動量条件下での正確な分解能測定を可能にした。