[논문 리뷰] Performance of Michigan sMDT Prototype Chambers for the HL-LHC ATLAS Muon Detector Upgrade

K. Nelson, Y. Guo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 19.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 밀란드 대학교에서 개발한 두 대의 소형 모니터드 드리프트 튜브(sMDT) 챔버의 성능을 하위-초기 라이트 라인(LHC) ATLAS 중성미자 검출기 업그레이드를 위한 목적으로 평가한다. 천체선 중성미자 빔을 이용하여 챔버는 각각 101.8±7.8 µm 및 103.7±8.1 µm의 추적 해상도를 확보하였으며, 설계 목표인 106 µm를 충족하였고, 고이득 전자기기 사용으로 해상도는 83.4±7.8 µm로 향상되었다. 평균 효율성은 98.5±0.2%로 측정되어 대량 생산에 대한 준비가 되어 있음을 확인하였다.

ABSTRACT

A new small-diameter Monitored Drift Tube (sMDT) chamber has been developed for the muon spectrometer of the ATLAS experiment to handle the higher collision rates expected at the CERN High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). This paper presents measurements of the tracking resolution and hit efficiency of two prototype sMDT chambers constructed at the University of Michigan. Using cosmic-ray muons the sMDT tracking resolution of 103.7$\pm8.1$ extmu m was measured for one chamber and 101.8$\pm$7.8 extmu m for the other, compared with a design resolution of 106 extmu m. A further tracking resolution improvement to 83.4$\pm$7.8 extmu m was obtained by using new high-gain readout electronics which will be added for HL-LHC. An average tracking efficiency of (98.5$\pm$0.2)\% was found for both chambers. The methodology used to determine the detector tracking resolution and efficiency, including reconstruction of sMDT data and a Geant4 simulation of the test chamber, is presented in detail.

연구 동기 및 목표

• HL-LHC ATLAS 중성미자 스펙트럼 업그레이드를 위한 프로토타입 sMDT 챔버의 추적 해상도 및 효율성을 검증하기 위해.
• sMDT 챔버가 106 µm 단일 히트 해상도 및 94% 레이어 효율성의 설계 사양을 충족하는지 평가하기 위해.
• r(t) 캘리브레이션 및 다중 산산분산 탈식별화를 포함한 해상도 및 효율성 측정을 위한 강력한 방법론을 개발하고 적용하기 위해.
• 고이득 읽기 전자기기(ASD-2)를 사용하여 설계 목표를 초월한 해상도 향상을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 각 드리프트 튜브의 시간-공간 전달 함수를 결정하기 위해 선형화된 최소 제곱법을 사용한 현장 내 r(t) 캘리브레이션.
• 큰 스캐빈저 트리거 시스템으로 인한 트리거 타이밍 왜곡을 보정하기 위해 Δt₀ 매개변수 도입.
• 천체선 중성미자 스펙트럼을 모델링하고 다중 쿨롱 산산분산 효과를 시뮬레이션하기 위해 Geant4 시뮬레이션 사용.
• 반경 별로 나누어진 영역에서 시뮬레이션된 산산분산 분포를 측정된 해상도 데이터에 맞추어 다중 산산분산 효과를 탈식별화.
• 두 번째 차수 다항식을 사용하여 잔차 대 반경 곡선을 반복적으로 피팅하여 위치에 따라 변하는 해상도 불확실성 모델링.
• 캘리브레이션, 트랙 피팅, 신호 타이밍 및 시뮬레이션 구성 요소를 통한 오차 전파를 통한 체계적 불확실성 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로토타입 sMDT 챔버는 천체선 조건 하에서 106 µm의 목표 추적 해상도를 달성하는가?
• RQ2 고이득 ASD-2 전자기기의 추가로 측정된 추적 해상도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 sMDT 챔버의 내재된 히트 효율성은 얼마이며, 94%의 설계 목표와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 다중 쿨롱 산산분산과 신호 전파 시간은 해상도 열화에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 특히 r(t) 캘리브레이션과 소프트 전자 성분에 기인한 체계적 불확실성은 최종 해상도 및 효율 측정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 프로토타입 sMDT 챔버는 BMG 챔버에서 103.7±8.1 µm, BIS 챔버에서 101.8±7.8 µm의 단일 히트 추적 해상도를 확보하였으며, 모두 설계 목표인 106 µm 이내에 해당한다.
• 고이득 ASD-2 전자기기 사용으로 BIS 챔버의 해상도는 83.4±7.8 µm로 향상되었으며, 설계 사양을 크게 초월하였다.
• 측정된 히트 효율성은 양 챔버 모두에서 (98.5±0.2)%로 나타나 모든 레이어 및 튜브에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 비효율성의 주요 원인은 활성 가스 부피 간 0.9 mm 간격(두 개의 0.4 mm 튜브 벽과 0.1 mm 간격)으로 밝혀졌으며, 튜브 벽 영역이 나머지 비효율성의 대부분을 차지하였다.
• 체계적 불확실성은 트랙 피팅(5.5 µm), 통계적 변동(3.5 µm), 신호 전파 시간(2.2 µm)에 의해 주로 결정되었으며, 두 챔버의 총 해상도 불확실성은 각각 8.1 µm 및 7.8 µm였다.
• 탈식별화 방법은 다중 산산분산 효과를 성공적으로 보정하여 실제 중성미자 운동량 조건에서 정확한 해상도 측정을 가능하게 하였다.