[論文レビュー] Test beam results of the GE1/1 prototype for a future upgrade of the CMS high-$\eta$ muon system

D. Abbaneo, M. Abbrescia+56 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、HL-LHCにおける高η領域（1.6 < |η| < 2.4）のCMSミューオンシステムアップグレードを想定した大面積トリプルGEM検出器であるGE1/1 IIプロトタイプのテストビーム結果を提示する。3/1/2/1 mmギャップ構成とAr/CO2/CF4ガス混合ガスを用いて、増幅率7,000で96.5%の検出効率を達成し、100 µm未満の空間分解能を示し、3Tの磁場下でも安定した性能を示した。これにより、GEMがHL-LHCの高レート・高精度フォワードミューオントラッキングおよびトリガに適した技術であることが裏付けられた。

ABSTRACT

Gas Electron Multipliers (GEM) are an interesting technology under consideration for the future upgrade of the forward region of the CMS muon system, specifically in the 1.6 &lt; |eta| &lt; 2:4 endcap region. With a sufficiently fine segmentation GEMs can provide precision tracking as well as fast trigger information. The main objective is to contribute to the improvement of the CMS muon trigger. The construction of large-area GEM detectors is challenging both from the technological and production aspects. In view of the CMS upgrade we have designed and built the largest full-size Triple-GEM muon detector, which is able to meet the stringent requirements given the hostile environment at the high-luminosity LHC. Measurements were performed during several test beam campaigns at the CERN SPS in 2010 and 2011. The main issues under study are efficiency, spatial resolution and timing performance with different inter-electrode gap configurations and gas mixtures. In this paper results of the performance of the prototypes at the beam tests will be discussed.

研究の動機と目的

• CMS実験の高η領域（1.6 < |η| < 2.4）における大面積・高精度GEMベースのミューオン検出器の開発を目的とする。
• 高出力加速器環境において過酷な条件にさらされる抵抗性板チャンバー（RPC）の限界を克服するため、放射線に強く、高レートに耐える代替技術としてGEM技術の評価を目的とする。
• 微細なセグメンテーションと最小限のギャップ（1 mm）を実現する大規模トリプルGEM検出器の製作および組立を最適化し、機械的安定性と電気的性能を確保することを目的とする。
• 実際の条件、特に高磁場（3T）およびさまざまなガス混合比下での検出器性能を検証し、将来的にCMSフォワードミューオンシステムに統合する可能性を検証することを目的とする。
• 大面積GEM検出器においてアナログパルス高さ情報が高分解能のトラック再構成に利用可能であることを実証することを目的とする。

提案手法

• GE1/1 IIプロトタイプは、微細セグメンテーションと高空間分解能を実現するため、ドリフト・トランスファー1・トランスファー2・インダクションの4段階ギャップ（3/1/2/1 mm）を有する全サイズのトリプルGEM検出器である。
• GEMフォイルは、50 µmのカプロンに5 µmの銅被膜を施し、片面フォトレジストマスクプロセスを用いて製造され、大面積生産に適した正確な穴パターンが実現された。
• 検出器は35の高電圧セクタと、各ηパーティションあたり384本の読み出しストリップを有し、放電確率の低減を図るために可変ストリップピッチ（0.6–1.0 mm）を採用した。
• ビームテストはCERN SPS H8およびH4ミューオンビームラインで実施され、発散効果を最小限に抑えるために2×2 mm²の中央スポットを持つパイオントロンビームが用いられた。
• 空間分解能は、既知の分解能を持つ2つの小型10×10 cm²リファレンスGEM検出器（TR5およびTR1）を用い、∆xおよび∆y分布解析によりGE1/1 IIの分解能を導出した。
• 検出器はVFAT2およびAPV25読み出し電子回路で駆動され、3T磁場下でのパルス高さ情報、HVスキャン、タイミング測定を用いて性能が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 mmのトランスファーおよびインダクションギャップを有する大面積トリプルGEM検出器が、高レートおよび高磁場条件下でも高い検出効率と空間分解能を達成できるか？
• RQ2 異なるガス混合比で動作させた場合、GE1/1 IIプロトタイプの性能は、小スケールプロトタイプと比較して、効率および分解能の面でどのように異なるか？
• RQ3 3Tの磁場がGEM検出器における信号クラスターサイズおよび位置に与える影響はどの程度か。また、これはGARFIELDシミュレーションの予測と整合的か？
• RQ4 全サイズのGE1/1 II検出器からのアナログパルス高さ情報が、100 µm未満の空間分解能を達成するために利用可能であるか。また、分解能の上限は何か？
• RQ5 実際のビームおよび磁場条件下で、大規模GEMプロトタイプの検出効率および増幅率安定性はどの程度達成可能か？

主な発見

• GE1/1 IIプロトタイプは、増幅率7,000で96.5%の検出効率を達成し、全サイズでの運用において優れた性能と安定性を確認した。
• アナログパルス高さ情報に基づく空間分解能は、リファレンス検出器を用いた∆x分布解析により、≤103 µmの上限に制限された。
• 検出器は3Tの磁場下でも安定した性能を示し、クラスターサイズに影響はなく、信号のずれはGARFIELDシミュレーションと整合的であった。
• ノイズレベルは無視できるほど低く、VFAT2のしきい値は12ユニット（約0.08 fC）であり、コンパレータ電流を40 µAに設定することで、0–10⁴の増幅率範囲で低ノイズ動作が可能であった。
• Ar/CO2/CF4ガス混合比（45:15:40）の使用により最適な性能が達成され、効率や分解能に顕著な劣化は認められなかった。
• APV25読み出し電子回路と全パルス高さ情報の組み合わせにより、トラック再構成が成功裏に実施され、将来的なCMSアップグレードに向けた設計のスケーラビリティが裏付けられた。