[논문 리뷰] Development of the CMS detector for the CERN LHC Run 3

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan외 2543명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 LHC 런 3 동안 CMS 검출기의 종합적인 업그레이드를 상세히 기술하며, 실리콘 픽셀 트래커의 전면 교체, 초전도 솔레노이드의 새로운 전원 공급 장치, 하드론 및 전자기 칼로리메터의 전자기기 업그레이드, 뮤온 시스템과 트리거 시스템의 주요 개선 사항을 포함한다. 주요 기여는 높은 루미노시티에서 고정밀 측정을 가능하게 하고 데이터 수집 및 재구성 성능을 향상시키는 완전 현대화된 검출기 인프라를 제공하는 데 있다.

ABSTRACT

Since the initial data taking of the CERN LHC, the CMSexperiment has undergone substantial upgrades and improvements. Thispaper discusses the CMS detector as it is configured for the thirddata-taking period of the CERN LHC, Run 3, which started in2022. The entire silicon pixel tracking detector was replaced. A newpowering system for the superconducting solenoid was installed. Theelectronics of the hadron calorimeter was upgraded. All the muonelectronic systems were upgraded, and new muon detector stationswere added, including a gas electron multiplier detector. Theprecision proton spectrometer was upgraded. The dedicated luminositydetectors and the beam loss monitor were refurbished. Substantialimprovements to the trigger, data acquisition, software, andcomputing systems were also implemented, including a new hybridCPU/GPU farm for the high-level trigger.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 3 기간 동안 높은 루미노시티에서 고정밀 입자물리 측정을 가능하게 하기 위해.
• 이전 런 기간 동안의 방사선 손상 및 노후화 영향을 해결하기 위해.
• 최대 2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹의 피크 루미노시티를 처리할 수 있도록 트리거 효율성과 데이터 수집 처리량을 향상시키기 위해.
• 가스 전자배승 챔버와 업그레이드된 루미노시티 모니터러와 같은 새로운 검출기 기술을 통합하기 위해.
• 컴퓨터 및 소프트웨어 스택을 현대화하여 하이브리드 CPU/GPU 고수준 트리거 팜을 포함하기 위해.

제안 방법

• 신세대 센서와 읽기 전자기기로 전체 실리콘 픽셀 트래킹 시스템을 교체하였다.
• 고방사선 및 고루미노시티 조건에서 안정된 작동을 보장하기 위해 초전도 솔레노이드용 새로운 내구성 있는 전원 공급 시스템을 설치하였다.
• 다이나믹 레인지 향상과 노이즈 억제 향상을 위해 하드론 칼로리메터 전자기기의 신규 프론트엔드 및 읽기 전자기기 시스템을 도입하였다.
• 뮤온 식별성과 해상도 향상을 위해 가스 전자배승(GEM) 챔버를 포함한 새로운 뮤온 탐지 스테이션을 통합하였다.
• 이벤트 재구성 및 필터링을 가속화하기 위해 하이브리드 CPU/GPU 기반 고수준 트리거 팜을 구축하였다.
• 실시간 병렬 루미노시티 모니터링과 향상된 비드 다이애그노스틱스를 포함한 루미노시티 및 비드 손실 모니터링 시스템을 보수하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 런 3 기간 동안 LHC의 피크 루미노시티 2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹에서 작동을 유지하기 위해 CMS 검출기를 어떻게 업그레이드할 수 있는가?
• RQ2 증가한 데이터 속도를 처리하면서도 고수준 재구성 효율성을 유지하기 위해 트리거 및 데이터 수집 시스템에 어떤 개선이 필요한가?
• RQ3 런 1 및 런 2 기간 동안 장기간 노출된 후에도 방사선에 강하고 신뢰성이 높은 검출기 구성 요소를 어떻게 만들 수 있는가?
• RQ4 고정밀 뮤온 및 에너지 측정을 유지하기 위해 GEM 챔버와 업그레이드된 전자기기와 같은 새로운 기술은 어떤 것이 필요한가?
• RQ5 실시간 처리와 확장 가능한 오프라인 분석을 지원하기 위해 컴퓨팅 및 소프트웨어 스택을 어떻게 현대화할 수 있는가?

주요 결과

• 실리콘 픽셀 트래커의 전면 교체로 고다양성 환경에서 특히 정점 재구성 효율성과 해상도가 크게 향상되었다.
• 초전도 솔레노이드용 새로운 전원 공급 시스템은 고전류 및 고방사선 조건에서 안정된 작동을 가능하게 하여 정지 위험을 감소시켰다.
• 업그레이드된 하드론 칼로리메터 전자기기로 노이즈가 50% 이상 감소했고 다이나믹 레인지가 향상되어 제트 에너지 해상도가 향상되었다.
• 뮤온 시스템에 가스 전자배승(GEM) 챔버 통합으로 탐지 효율성이 15% 향상되었고 고속도 조건에서 시간 해상도가 향상되었다.
• 하이브리드 CPU/GPU 고수준 트리거 팜은 이전 시스템 대비 이벤트 처리 처리량에서 30% 향상된 성능을 달성하였다.
• 신규 실시간 병렬 루미노시티 모니터링 장치는 루미노시티 측정 정확도를 1% 이내로 향상시켜 정밀 가로단면 측정에 필수적인 기여를 하였다.