[論文レビュー] The Pixel Luminosity Telescope: A detector for luminosity measurement at CMS using silicon pixel sensors

P. Lujan|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 1

ひとこと要約

ピクセル光度計（PLT）は、LHCにおけるインstantaneous luminosityを高精度で測定するためにCMSに設置されたシリコンピクセル検出器である。40 MHzのファスト・アンド・リードアウトモードを用い、3つのセンサープレーンにおける三重一致を検出することで背景を抑制し、ラン2およびラン3の間でリアルタイムでの光度モニタリングを可能にした。放射線損傷を受けたセンサーはLS2中に交換され、ラン3における継続的な性能を確保した。

ABSTRACT

The Pixel Luminosity Telescope is a silicon pixel detector dedicated to luminosity measurement at the CMS experiment at the LHC. It is located approximately 1.75 m from the interaction point and arranged into 16 "telescopes", with eight telescopes installed around the beam pipe at either end of the detector and each telescope composed of three individual silicon sensor planes. The per-bunch instantaneous luminosity is measured by counting events where all three planes in the telescope register a hit, using a special readout at the full LHC bunch-crossing rate of 40 MHz. The full pixel information is read out at a lower rate and can be used to determine calibrations, corrections, and systematic uncertainties for the online and offline measurements. This paper details the commissioning, operational history, and performance of the detector during Run 2 (2015-18) of the LHC, as well as preparations for Run 3, which will begin in 2022.

研究の動機と目的

• LHCラン2およびラン3の間、CMS実験でリアルタイムかつ高精度な光度測定を提供すること。
• シリコンピクセルセンサーを用いた三重一致検出により、光度測定におけるバックグラウンドおよびノイズを低減すること。
• 長期にわたりデータ取得が継続される中で放射線損傷の影響を受けることに対する補正を、長期間のシャットダウン2（LS2）中の検出器交換およびキャリブレーションにより維持すること。
• 加速器運用および物理学解析を支援するため、信頼性の高いオンラインおよびオフライン光度データを提供すること。

提案手法

• PLTは、ビーム方向に整列した3つのセンサープレーンを有する16台の望遠鏡に、合計48個のシリコンピクセルセンサーが配置されている。これらは、衝突点からの粒子軌跡を検出する。
• リードアウトチップではファスト・アンド・リードアウトモードを採用し、各プレーン内のいずれかのピクセルがしきい値を超えると、25 nsのトレーニングバッチ毎に1つのパルスが生成される。これにより、40 MHzのリードアウトが可能となり、光度カウントに適している。
• 三重一致イベント（望遠鏡の3つのプレーンすべてにヒットがあるもの）が、インスタントラス光度を測定するために用いられ、ノイズおよび組み合わせ的バックグラウンドが顕著に抑制される。
• 補正および系誤差の評価を可能にするために、トリガー信号を介して低レートで全ピクセルデータが記録される。
• 可視断面積σvisは、ヴァン・デル・メールスキャン法を用いて決定され、三重一致と光度の間のキャリブレーション係数が確立される。
• 放射線損傷の影響は、イン・サイト測定および検出器の再キャリブレーションによりモニタリングおよび補正される。LS2中に新しいPLTが設置され、ラン3における性能継続が確保された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてシリコンピクセル検出器が、最小限のデッドタイムでLHCで高精度かつリアルタイムの光度測定を達成できるか？
• RQ2 光度測定における主なバックグラウンド源は何か。また、三重一致検出を用いることでそれらはどのように抑制できるか？
• RQ3 放射線損傷はPLTの性能にどのように影響を及ぼすか。また、長期間にわたるデータ取得の間、正確性を維持するために必要な補正は何か？
• RQ4 ファスト・アンド・リードアウトモードは、測定の忠実性を損なうことなく、40 MHzのバッチクロスレートでの光度モニタリングをどの程度可能にするか？
• RQ5 顕著な放射線被曝を経験した後、ラン3における信頼性ある光度測定を確保するために必要な運用およびキャリブレーション戦略は何か？

主な発見

• PLTは、ラン2（2015–2018年）の間、三重一致検出を用いて40 MHzで高統計的精度のインスタントラス光度を測定することに成功した。
• ファスト・アンド・リードアウトモードにより、センサープレーン内のいずれかのピクセルが発火した場合に1バッチクロスイングごとに1つのパルスが生成され、リアルタイムでの光度モニタリングが可能になった。
• 組み合わせ的およびビーム由来のバックグラウンドが、誤った三重一致の主な要因であると特定され、光度測定の補正が必要であった。
• 放射線損傷により、時間経過に伴いキャリブレーション定数σvisに顕著な変動が生じ、ラン2中にはイン・サイトでのモニタリングおよび補正が不可欠であった。
• LS2中に2021年7月に新しいPLTが設置され、放射線損傷を受けた検出器が交換され、ラン3（2022–2024年）における継続的な性能が確保された。
• ラン2およびラン3におけるPLT運用の経験は、将来のBRIL光度計の設計を支援するとともに、CMSフェーズ2トラッカー計画を支援するものとなる。