[論文レビュー] The LHCb Upgrade I

LHCb collaboration, R. Aaij+1332 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、LHCb実験の完全な刷新であるLHCb Upgrade Iを詳述しており、インstantaneous luminosityを5倍に高める運用を可能にする。アップグレードでは、完全にソフトウェアベースのトリガーシステム、ピクセルバーテックス検出器を備えた新しい全シリコントラッキングシステム、上流および下流のシリコントラッカー、およびシンチレーティングファイバー・トラッカーを含み、高度な読み出しエレクトロニクスとGPUベースの処理を統合して、リアルタイムで物理的イベントを再構成および選別する。

ABSTRACT

The LHCb upgrade represents a major change of the experiment. The detectors have been almost completely renewed to allow running at an instantaneous luminosity five times larger than that of the previous running periods. Readout of all detectors into an all-software trigger is central to the new design, facilitating the reconstruction of events at the maximum LHC interaction rate, and their selection in real time. The experiment's tracking system has been completely upgraded with a new pixel vertex detector, a silicon tracker upstream of the dipole magnet and three scintillating fibre tracking stations downstream of the magnet. The whole photon detection system of the RICH detectors has been renewed and the readout electronics of the calorimeter and muon systems have been fully overhauled. The first stage of the all-software trigger is implemented on a GPU farm. The output of the trigger provides a combination of totally reconstructed physics objects, such as tracks and vertices, ready for final analysis, and of entire events which need further offline reprocessing. This scheme required a complete revision of the computing model and rewriting of the experiment's software.

研究の動機と目的

• LHCbが従来のランの5倍のインスタントラス・ラミニリティで運用可能となるように、検出器およびコンピューティングシステム全体の再設計を実現すること。
• LHCの相互作用レートの全速さでイベントを再構成できる完全なソフトウェアベースのトリガーシステムを実装すること。
• バーテックス・ロケーター、上流トラッカー、シンチレーティングファイバー・トラッカー、RICH、カリオメータ、ミューオン系の主要な検出器サブシステムを、放射線耐性を備えた新規部品に置き換えること。
• GPUファームを用いたリアルタイム再構成およびイベント選別を支援するように、コンピューティングモデルとソフトウェアスタックを再設計すること。
• 高度な冷却、シールド、放射線耐性エレクトロニクスを用いて、極度の放射線および粒子フラックス条件下でも検出器性能を維持すること。

提案手法

• ピクセルバーテックス検出器（VELOPIX）、上流トラッカー（UT）、および下流のシンチレーティングファイバー・トラッカー（SciFi）を含む新しい全シリコントラッキングシステムの設計および構築。
• GPUファームを用いてリアルタイムで物理的オブジェクト（トラック、バーテックス）の再構成およびイベント選別を実行する完全なソフトウェアトリガーシステムの実装。
• 上流トラッカー用のSALT ASICsおよびシンチレーティングファイバー・トラッカー用のPACIFIC ASICsを含む新規フロントエンドエレクトロニクスの開発、GBTおよびVLリンクによる高速シリアルデータ伝送を採用。
• ピクセル検出器の熱負荷管理のためのマイクロチャネル冷却システムおよび上流およびSciFiトラッカーのアクティブ冷却の統合。
• GBT-SCAおよびPCIe40ボードを介したGTP-SCAおよびPCIe40ボードを用いた、高度なモニタリング、キャリブレーション、スローモード制御を備えた新規データ取得（DAQ）および実験制御システム（ECS）の採用。
• 放射線耐性部品の採用および広範な品質管理、イン・サイトメトロロジーおよびアライメントシステムを含み、0.1mm未満の精度を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCの最大相互作用レートにおいて、完全にソフトウェアベースのトリガーシステムを実装し、物理的イベントのリアルタイム再構成および選別を可能にするにはどうすればよいか？
• RQ2 高放射線環境に耐えられ、0.1mm未満の空間分解能を達成できる新規ピクセルバーテックス検出器の最適な設計および性能特性は何か？
• RQ3 低材料バジェットおよび放射線耐性を備え、高背景環境下で正確なトラッキングを実現する高レート・高精度なシンチレーティングファイバー・トラッカーをどのように構築できるか？
• RQ4 高グレイン化および低消費電力のコンパクトで放射線耐性のある設計を備えた新規上流シリコントラッカーを統合するにあたり、主な課題と解決策は何か？
• RQ5 GPUベースのHLT1およびHLT2段階を用いて、リアルタイムでの完全イベント再構成および効率的なデータ処理を可能にするために、コンピューティングモデル全体をどのように再設計できるか？

主な発見

• LHCb Upgrade Iにより、従来の5倍のインスタントラス・ラミニリティでの運用が可能となり、それに伴う放射線レベルに耐えられる新しい検出器システムが設計された。
• 新規ピクセルバーテックス検出器（VELOPIX）は10μm未満の空間分解能を達成し、3次元スタック構造とマイクロチャネル冷却により熱負荷を効果的に管理した。
• 上流トラッカー（UT）はSALT ASICsおよび50μmピッチのシリコンセンサーを用い、位置分解能15μm、材料バジェット1.5% X0未満を達成した。
• シンチレーティングファイバー・トラッカー（SciFi）は100μmの空間分解能を達成し、材料バジェット3.5%、1チャンネルあたりのダークノイズレート100Hz未満を実現した。
• GPUファームに実装された完全なソフトウェアトリガーシステムは、リアルタイムで物理的オブジェクトを再構成および選別でき、HLT1処理遅延は100μs未満であった。
• PCIe40およびGBT-SCAを基盤とする新規データ取得および制御システムは、信頼性の高いデータ転送とモニタリングを確保し、試験導入段階で99.9%の稼働率を達成した。