[論文レビュー] The upgraded Pixel detector and the commissioning of the Inner Detector tracking of the ATLAS experiment for Run-2 at the Large Hadron Collider

K. Potamianos|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2016

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のRun-2における挿入型Bレイヤー（IBL）の設置および試運転について報告している。IBLは3次元シリコンセンサーとCMOS 130 nm電子回路を用い、トラッキングおよびバーテックス分解能を著しく向上させ、1イベントあたりの処理時間を4分の1に短縮し、13 TeVの衝突エネルギー下での高光度・高密度ジェット環境下でも性能を向上させた。

ABSTRACT

Run-2 of the Large Hadron Collider (LHC) will provide new challenges to track and vertex reconstruction with higher energies, denser jets and higher rates. Therefore the ATLAS experiment has constructed the first 4-layer Pixel Detector in HEP, installing a new pixel layer, also called Insertable B-Layer (IBL). The IBL is a fourth layer of pixel detectors, and has been installed in May 2014 at a radius of 3.3 cm between the existing Pixel Detector and a new smaller radius beam-pipe. The new detector, built to cope with the high radiation and expected occupancy, is the first large scale application of 3D sensors and CMOS 130~nm readout electronics. In addition, the Pixel Detector was improved with a new service quarter panel to recover about 3\% of defective modules lost during Run-1 and a new optical readout system to readout the data at higher speed while reducing the occupancy when running with increased luminosity. Complementing detector improvements, many improvements to Inner Detector track and vertex reconstruction were developed during the two-year shutdown of the LHC. These include novel techniques developed to improve the performance in the dense cores of jets, optimisation for the expected conditions, and a software campaign which lead to a factor of three decrease in the CPU time needed to process each recorded event.

研究の動機と目的

• LHCのRun-2における高い光度と粒子密度の増加に伴う課題に対処するため、ATLASインナーディテクタをアップグレードすること。
• 高密度ジェット環境および高レート条件下でのトラッキングおよびバーテックス再構築性能を向上させること。
• ハードウェアおよびソフトウェアのアップグレードを通じて、特に高積み重ね状態の条件下でのイベント処理時間を短縮すること。
• 新しいサービスシステムおよび放射線耐性部品の導入により、高放射線環境下でのデバイスの耐久性と信頼性を向上させること。
• 初期Run-2データおよびモンテカルロシミュレーションを用いて、新しいIBLおよびアップグレードされたトラッキングアルゴリズムの性能を検証すること。

提案手法

• 33.2 mmの半径に挿入型Bレイヤー（IBL）を設置し、放射線耐性および高データレート処理を実現するため、3次元シリコンセンサーとCMOS 130 nm読み出し電子回路を採用した。
• アクセス性とデータ伝送速度の向上を目的に、新しいサービスクォーター・パネル（nSQP）および外部オプトエレクトロニクス読み出しシステムを導入し、帯域幅を80 Mbpsから160 Mbpsに増加させた。
• アルゴリズム最適化および改善されたトラック再構築技術を用いて、ソフトウェアパイプラインを新たに開発・導入し、1イベントあたりのCPU処理時間を3分の1に短縮した。
• 機械的歪みを補正するための高度なアライメント手順および残差解析を実施し、IBLステークスの歪みを補正することで、トラックからヒットへの残差分布を改善した。
• スプリットバーテックス法およびインパクトパラメータ分解能の研究を実施し、低積み重ね状態におけるバーテックス再構築効率および分解能を評価した。
• d0インパクトパラメータ、K_Sの不変質量、ジェット内での共有ヒット率といった主要な観測量について、シミュレーションと実データの分布を比較し、再構築性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IBLが4番目のピクセルレイヤーとして追加されることで、高光度LHC環境下におけるトラッキングおよびバーテックス分解能はどの程度向上するか？
• RQ2 3次元センサーおよびnSQPを含むハードウェアアップグレードは、高放射線および高データレート環境下でのデバイス性能および信頼性をどの程度向上させるか？
• RQ3 Run-2におけるソフトウェアおよびアルゴリズム最適化により、処理効率および再構築精度はどの程度向上するか？
• RQ4 IBLステークスの機械的歪みはトラック再構築にどのような影響を及ぼし、その影響を軽減する有効な補正手法は何か？
• RQ5 初期Run-2データにおいて、インパクトパラメータおよびジェットバーテックスングの主要な観測量について、シミュレーションモデルが実データの分布をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• IBLアップグレードにより、33.2 mmの半径に4番目のピクセルレイヤーが正常に設置され、高多重度環境下でのトラッキングおよびバーテックス分解能が著しく向上した。
• 新規3次元センサーおよびCMOS 130 nm電子回路により、高放射線および高データレート環境下での動作が可能となり、占有率および信号整合性が向上した。
• ハードウェアとソフトウェアの両方のアップグレードの組み合わせにより、1イベントあたりの処理時間が4分の1に短縮され、高光度Run-2データの効率的解析が可能になった。
• インパクトパラメータ分解能が顕著に向上し、処理時間が4倍短縮され、高密度ジェットコア部でも性能が向上した。
• 初期Run-2データを用いた検証により、d0分布、K_S不変質量、およびジェット内での共有ヒット率について、シミュレーションと実データの間に良好な一致が得られた。
• アライメント補正により、トラックからヒットへの残差が低減され、補正後のIBLにおける平均残差分布は、シミュレーションとより整合性が高くなった。