[논문 리뷰] Experimental Challenges of the European Strategy for Particle Physics

S. N. White|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 하이-레이트, 고방사선 환경에서 20피코초 이내의 해상도를 갖는 정밀 시간 측정 검출기를 개발하여 HL-LHC 시대의 피로업(파일업) 완화 문제를 다룬다. Landau/Vavilov 신호 변동으로 인한 약 21 피코초의 타이밍 제플러를 달성하는 딥-디플루드 APD/마이크로메가스 트래커 설계를 제시하며, ATLAS 및 CMS 실험에서 시간 기반 이벤트 재구성의 향상을 통해 피로업 영향을 줄일 수 있는 실현 가능한 길을 보여준다.

ABSTRACT

In planning for the Phase II upgrades of CMS and ATLAS major considerations are: 1)being able to deal with degradation of tracking and calorimetry up to the radiation doses to be expected with an integrated luminosity of 3000 $fb^{-1}$ and 2)maintaining physics performance at a pileup level of ~140. Here I report on work started within the context of the CMS Forward Calorimetry Task Force and continuing in an expanded CERN RD52 R$&$D program integrating timing (i.e. measuring the time-of-arrival of physics objects) as a potential tool for pileup mitigation and ideas for Forward Calorimetry. For the past 4 years our group has focused on precision timing at the level of 10-20 picoseconds in an environment with rates of $~10^6-10^7$ Hz/$cm^2 $ as is appropriate for the future running of the LHC (HL-LHC era). A time resolution of 10-20 picoseconds is one of the few clear criteria for pileup mitigation at the LHC, since the interaction time of a bunch crossing has an rms of 170 picosec. While work on charged particle timing in other contexts (i.e. ALICE R$&$D) is starting to approach this precision, there have been essentially no technologies that can sustain performance at these rates. I will present results on a tracker we developed within the DOE Advanced Detector R$&$D program which is now meeting these requirements. I will also review some results from Calorimeter Projects developed within our group (PHENIX EMCAL and ATLAS ZDC) which achieved calorimeter timing precision< 100 picoseconds.

연구 동기 및 목표

• 순간 피로업 수준이 140에 이르는 HL-LHC에서 이벤트 피로업 문제를 해결한다.
• 특히 전방 프로톤 잔여물 재구성과 제트의 잘못된 연계를 줄이기 위해 피로업을 완화하는 시간 기반 도구를 개발한다.
• HL-LHC에서 일반적인 고속도 및 고방사선 환경(10^6–10^7 Hz/cm²)에서 20피코초 이내의 타이밍 해상도를 달성한다.
• 신호 형성과 노이즈 억제에 중점을 두어 타이밍 제플러를 최소화하는 데 중점을 두어 검출기 설계 및 전자회로 최적화를 수행한다.
• 특히 전방 칼로미터 및 트래킹 시스템에서 CMS 및 ATLAS의未래 업그레이드에 시간 측정 기능을 통합한다.

제안 방법

• 60 µm의 탈전 영역을 갖는 딥-디플루드 APD를 설계 및 프로토타이핑하며, 이 중 마지막 40 µm만 포화 전계를 지원하여 빠른 신호 형성에 기여한다.
• 시간 워크 및 위치 기반 타이밍 제플러를 줄이기 위해 마이크로메가스 메쉬를 외부 커패시터판으로 사용한다.
• Ramo의 정리에 따라 전하 이동 및 신호 유도를 모델링하며, 약 10 ps/µm 속도로 전자 이동을 중심으로 전기장 영역으로의 이동을 분석한다.
• 40 µm 영역을 1 µm 두께의 40층으로 나누어 각 층에 Landau/Vavilov 분포를 갖는 에너지 손실을 가정하여 신호 형성 시뮬레이션을 수행한다.
• 일정 분율 타이밍 알고리즘을 적용하여 평균 도착 시간을 측정하고, 비정규 분포를 띠는 신호로 인한 제플러를 평가한다.
• 피코초 레벨 레이저 펄스를 이용한 비드 테스트를 수행하여 타이밍 성능을 검증하고, 검출기 커패시턴스(60 pF)에 최적화된 프리앰프 매칭을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC 방사선 및 속도 조건에서 실리콘 검출기에서 20피코초 이내의 타이밍 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 미세한 실리콘 검출기에서 전하 침전의 Landau/Vavilov 변동은 어느 정도의 타이밍 제플러 기여를 하는가?
• RQ3 딥-디플루드 APD에서 위치 기반 시간 워크를 줄이기 위해 마이크로메가스 메쉬가 외부 커패시터로 효과적으로 기능하는가?
• RQ4 검출기 두께와 이득이 타이밍 제플러에 미치는 영향은 무엇이며, 최적의 트레이드오프는 어떻게 설정할 수 있는가?
• RQ5 시간 기반 재구성 기법이 힉스 보존 및 벡터 보존 융합 분석에서 피로업 영향을 10배 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 딥-디플루드 APD/마이크로메가스 설계로 타이밍 제플러가 0.6 ns 이상에서 약 21 피코초로 감소하였으며, 주로 위치 기반 시간 워크 억제로 인한 것이다.
• 40 µm 두께의 실리콘 층에서 최소 이온화 입자에 의한 Landau/Vavilov 변동으로 인한 제플러는 약 21 피코초로 정량화되었다.
• 탈전 깊이 감소와 비례하여 제플러가 감소함을 확인하여, 더 얇고 고이득 설계로 향후 성능 향상 가능성을 보여주었다.
• 누설 전류로 인한 신호 형성 및 노이즈는 현재 측정치에서 관찰된 기본 한계 이하에 머물러 있어 향후 최적화에 여유가 있음을 시사한다.
• 향상된 전자회로(SAMPIC, DRS5, HPTDC)와 노이즈 억제 기법을 적용한 비드 테스트를 진행 중이며, 20피코초 이내 타이밍 해상도를 검증 중이다.
• 특히 ATLAS ZDC 데이터에서의 칼로미터 타이밍 성능은 향후 시간 기반 피로업 완화 전략 통합에 유망한 가능성을 보여주었다.