[논문 리뷰] Beam test performance studies of CMS Phase-2 Outer Tracker module prototypes

The Tracker Group of the CMS Collaboration, Bergauer, T.외 782명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS Phase-2 외부 트래커를 위한 2S 모듈 프로토타입의 빔 테스트 결과를 제시하며, CMS 이진 칩(CBC), 집중기 통합 회로(CIC), 광학적 읽기 방식 및 모듈 내 전원 변환의 조합이 획득된 동기식 읽기 성능을 보여주며, 횡방향 운동량(pT) 구분에 대해 99.75%의 클러스터 효율성과 99%의 스텁 효율성을 달성한다. 이 성능은 예상 조사량의 91%에 해당하는 방사선 조사 이후에도 하이퍼-레이트 LHC(HL-LHC) 요구사항을 충족한다.

ABSTRACT

A new tracking detector will be installed as part of thePhase-2 upgrade of the CMS detector for the high-luminosity LHC era.This tracking detector includes the Inner Tracker, equipped withsilicon pixel sensor modules, and the Outer Tracker, consisting ofmodules with two parallel stacked silicon sensors. The Outer Trackerfront-end ASICs will be able to correlate hits from chargedparticles in these two sensors to perform on-module discriminationof transverse momenta (p$_{T}$). The p$_{T}$information is generated at a frequency of 40 MHz and will be usedin the Level-1 trigger decision of CMS. Prototypes of theso-called 2S modules were tested at the Test Beam Facility at DESYHamburg between 2019 and 2020. These modules use the finalfront-end ASIC, the CMS Binary Chip (CBC), and for the firsttime the Concentrator Integrated Circuit (CIC), optical readoutand on-module power conversion. In total, seven modules were tested,one of which was assembled with sensors irradiated with protons. Animportant aspect was to show that it is possible to read out modulessynchronously. A cluster hit efficiency of about 99.75 % wasachieved for all modules. The CBC p$_{T}$ discriminationmechanism has been verified to work together with the CIC andoptical readout. The measured module performance meets therequirements for operation in the upgraded CMS tracking detector.

연구 동기 및 목표

• . 2S 모듈 프로토타입의 CMS Phase-2 외부 트래커 업그레이드를 위한 빔 테스트 조건 하에서의 성능를 검증하는 것.
• . CBC 칩의 pT 구분 메커니즘이 CIC 및 광학적 읽기 시스템과 함께 기능하는지 확인하는 것.
• . 방사선 손상이 모듈 성능에 미치는 영향을 평가하며, 특히 4.6×10¹⁴ neq/cm²까지 조사된 센서에 초점을 맞춘다.
• . 방사선 조사 및 안내 후에도 모듈 성능이 사양 범위 내에 유지되는지 확인하는 것.
• . 빔 환경에서 모듈 간의 동기식 읽기 능력과 안정적인 상관관계를 입증하는 것.

제안 방법

• . 일곱 개의 전체 크기 2S 모듈 프로토타입이 DESY 빔 테스트 시설에서 전자 빔을 사용하여 테스트되었다.
• . 모듈은 최종 CBC 프론트엔드 ASIC, 광학 데이터 집중을 위한 CIC, 모듈 내 전원 변환을 사용하였다.
• . 데이터 수집은 참조 검출기로 구성된 텔레스코프 시스템을 사용한 트랙 재구성과 함께 맞춤형 소프트웨어 파이프라인을 활용하였다.
• . CBC 칩은 프로그래밍 가능한 검색 창 내에서 두 개의 스택된 실리콘 스트립 센서에서 발생한 히트를 상관시켜 모듈 내에서 pT 구분을 수행하였다.
• . 방사선 조사된 센서는 4000 fb⁻¹ 이후의 수명 종료 상태를 시뮬레이션하기 위해 실온에서 200일간 안내 처리 후 테스트되었다.
• . 효율성, 해상도, 노이즈 및 전하 공유를 평가하기 위해 다수의 임계값, 센서 위치 및 빔 각도에서 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 2S 모듈 프로토타입은 빔 조건 하에서 높은 클러스터 효율성을 갖는 동기식 읽기를 달성할 수 있는가?
• RQ2 . CIC 및 광학적 읽기 시스템과 조합된 CBC 칩의 pT 구분 논리가 정상적으로 기능하는가?
• RQ3 . 조사량의 91%에 해당하는 방사선 손상이 클러스터 효율성과 pT 구분 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 . 특히 방사선 조사된 모듈에서 센서 표면 전역에 걸쳐 효율성에 공간적 의존성이 존재하는가?
• RQ5 . 빔 환경에서 여러 모듈 간에 안정적인 성능과 스텁 간 상관관계를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• . 모든 모듈, 특히 방사선 조사된 센서를 장착한 모듈에서도 클러스터 히트 효율성이 99.75%에 도달하였다.
• . CBC 기반의 pT 구분 메커니즘은 6000 e⁻ 이하의 임계값에서 약 99%의 스텁 효율성을 달성하였으며, 방사선 조사된 센서에서도 동일하게 유지되었다.
• . 방사선 조사된 센서에 대해 200일간의 안내 처리 후에도 pT 구분 성능에 유의미한 열화가 관찰되지 않았다.
• . 클러스터 효율성이 센서 표면의 다양한 위치에서 유의미한 변동이 없었으며, 균일한 성능을 나타내었다.
• . 모듈 1과 모듈 3 간의 스텁 위치 상관관계는 약 550 µm의 잔여 폭을 보였으며, 기대되는 다중 산란 및 빔 각도와 일치하였다.
• . 시스템은 안정적인 읽기 및 모듈 간 신뢰할 수 있는 상관관계를 보였으며, 빔 환경에서의 동기 작동 가능성은 확인되었다.