[논문 리뷰] A Cosmic Ray Measurement Facility for ATLAS Muon Chambers

O. Biebel, M. Binder외 16명|ArXiv.org|2003. 07. 30.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS MDT 뮤온 챔버의 설치 이전에 고정밀 캘리브레이션 및 테스트를 가능하게 하는 뮌헨의 루트그-마크시밀리안 대학교에서 운영하는 宇宙선 측정 시설을 제시한다. 우주선 뮤온을 이용하여 챔버 평면 내에서 8.3 μm의 정밀도로 개별 애노드 와이어 위치를 측정하고, 수직 방향으로는 27 μm의 정밀도를 확보하여 ATLAS에서 독립적인 뮤온 운동량 측정 시 하위-20 μm 정확도를 달성한다.

ABSTRACT

Monitored Drift Tube (MDT) chambers will constitute the large majority of precision detectors in the Muon Spectrometer of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN. For commissioning and calibration of MDT chambers, a Cosmic Ray Measurement Facility is in operation at Munich University. The objectives of this facility are to test the chambers and on-chamber electronics, to map the positions of the anode wires within the chambers with the precision needed for standalone muon momentum measurement in ATLAS, and to gain experience in the operation of the chambers and on-line calibration procedures. Until the start of muon chamber installation in ATLAS, 88 chambers built at the Max Planck Institute for Physics in Munich have to be commissioned and calibrated. With a data taking period of one day individual wire positions can be measured with an accuracy of 8.3 micrometers in the chamber plane and 27 micrometers in the direction perpendicular to that plane.

연구 동기 및 목표

• MPI 뮌헨에서 제작된 88개의 ATLAS MDT 뮤온 챔버를 설치 이전에 투입 및 캘리브레이션하기 위해.
• MDT 챔버 내부의 애노드 와이어 3차원 위치를 하위-20 μm 정밀도로 측정하여 독립적인 뮤온 운동량 측정을 가능하게 하기 위해.
• 우주선 뮤온을 이용하여 챔버 기하학적 구조와 정렬 상태를 검증하고, X선 톰그래피 결과와 비교하기 위해.
• 대규모 뮤온 스펙로미터 운영을 위한 온라인 캘리브레이션 절차 및 정렬 시스템을 개발하고 테스트하기 위해.
• 통제된 환경 조건 하에서 챔버의 기계적 및 전자적 안정성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 600 MeV 이상의 운동량을 가진 뮤온을 탐지하기 위해, 세 개의 스컬린레이터 허도스코프(상부 1층, 하부 2층으로 격자형으로 배치)로 구성된 우주선 트리거 시스템을 사용한다.
• 드리프트 시간을 이용하여 뮤온 트랙을 재구성하며, 시간 해상도는 800 ps 이하, x방향에서의 위치 해상도는 8 cm이다.
• 애노드 와이어까지의 드리프트 시간을 측정하고, X선 톰그래피를 통해 校정된 r-t 관계를 적용하여 와이어 위치를 결정한다.
• 접촉이 없는 정렬 시스템(RasNik 및 커패시티브 센서)이 5 μm 이내의 정밀도로 챔버 위치를 모니터링한다.
• 트랙 피팅 및 잔차 분석을 통해 우주선 데이터에서 층 간 거리, 격자 상수, 기울임 각도 등의 기하학적 파rameter를 추출한다.
• 배경을 줄이고 해상도를 향상시키기 위해 허도스코프 히트 수, 트랙 품질, 추정된 뮤온 에너지에 대한 컷을 적용한 데이터 선택 절차를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선 측정을 통해 ATLAS에서 독립적인 뮤온 운동량 측정을 위한 필수적인 20 μm 와이어 위치 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 우주선을 통한 와이어 위치 측정 정밀도가 X선 톰그래피 결과와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 MDT 챔버에서 층 간 거리, 격자 상수, 각도적 이탈을 측정할 수 있는 가능한 정밀도는 얼마인가?
• RQ4 이 시설이 주 2회까지의 속도로 88개의 MDT 챔버를 신뢰성 있게 캘리브레이션하고 투입할 수 있는가?
• RQ5 환경적 요인과 정렬 영향이 측정 해상도 및 일관성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 28시간의 데이터 수집 후 우주선 측정 시설은 챔버 평면 내에서 8.3 μm, 수직 방향으로는 27 μm의 와이어 위치 해상도를 확보한다.
• 이 시설은 층 간 거리를 1.8 μm 정밀도로 측정하고, 격자 상수는 0.15 μm 해상도로 측정한다.
• z방향의 층 이동은 4.4 μm 정밀도로 측정되며, x축을 중심으로 한 기울임 각도는 17×10⁻⁶ 라디안 정밀도로 측정된다.
• 우주선 측정을 통한 와이어 위치 측정 결과는 X선 톰그래피 결과와 평균 제곱근 차이가 23 μm로, 이는 시설 자체의 시스템 한계에 의해 제한된다는 것을 시사한다.
• 층 이동 및 격자 상수 측정 결과는 톰그래피 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 시설의 캘리브레이션 정확도를 검증한다.
• 이 시설은 주 2회까지의 속도로 88개의 BOS 유형 MDT 챔버의 투입을 성공적으로 지원하여 ATLAS 설치 일정을 충족시킨다.