[논문 리뷰] Performance of the RPC-based ALICE muon trigger system at the LHC

F. Bossù, M. Gagliardi외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 08.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 LHC 운영 1년차와 2년차(2010–2011) 동안 ALICE 실험에서 RPC 기반의 뮤온 트리거 시스템의 성능과 안정성을 평가한다. pp 및 Pb–Pb 충돌에서 효율성, 다크 전류, 트리거 신뢰성에 중점을 두며, 고방사선 노출 조건에서도 높은 안정성과 효율성을 유지함을 입증한다. 평균 효율성은 95%이며, 파라미터는 안정되어 있으며, 고pT 뮤온을 효과적으로 선택하고 강입자 배경을 거부하는 데 성공한다.

ABSTRACT

The forward muon spectrometer of ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is equipped with a trigger system made of four planes of Resistive Plate Chambers (RPC), arranged in two stations with two planes each, for a total area of about 140 m2 . The system provides single and di-muon triggers with suitable transverse momentum selection, optimised for the physics of quarkonia and open heavy flavour. In the first two years of data-taking at the Large Hadron Collider (2010 and 2011) the 72 RPCs were operated in highly saturated avalanche mode in both pp and Pb-Pb collisions. The integrated charge was about 1.3 mC/cm2 on average and 3.5 mC/cm2 for the most exposed detectors. This paper describes two main results. The first result is the determination of the RPC performance, with particular focus on the stability of the main detector parameters such as efficiency, dark current, and dark rate. The second result is the measurement of the muon trigger performance in Pb-Pb collisions at sqrt(s_NN) = 2.76 TeV, in terms of the reliability and stability of the trigger decision logic.

연구 동기 및 목표

• 고광도 LHC 운영 조건에서 RPC를 사용한 ALICE 뮤온 트리거 시스템의 장기적 안정성과 성능을 평가하기 위해.
• √sNN = 2.76 TeV 조건에서 Pb–Pb 충돌에서 트리거 결정 논리의 신뢰성과 선택성을 평가하기 위해.
• 강입자 배경을 억제하면서 고횡방향 운동량 뮤온을 식별하는 데 있어 시스템의 효율성을 정량화하기 위해.
• LHC 운영 10년 분량의 시뮬레이션된 고방사선 노출 조건 하에서 RPC의 운영 견고성 검증을 위해.

제안 방법

• 시스템은 두 개의 스테이션으로 구성되며, 각 스테이션은 두 개의 평면을 갖고 총 72개의 단일 갭 RPC로 이루어져 있으며, 고포화 앙피전 모드에서 C2H2F4/C4H10/SF6 가스 혼합물로 작동한다.
• 감지기 성능은 고전압 조절 및 온도와 압력 변화 보정을 실시간으로 수행하는 감지기 제어 시스템(DCS)을 통해 모니터링된다.
• 우주선 및 초기 pp 충돌 데이터를 이용해 효율성, 다크 전류, 다크 레이트를 측정하며, 개별 RPC 별로 校정이 수행된다.
• Pb–Pb 충돌에서 트리거 성능은 트리거 임계값과 비교한 재구성된 뮤온 pT 분포를 분석하고, 트리거의 타당성 곡선과 선택성 측정을 통해 평가된다.
• 트리거 시스템과 뮤온 추적 시스템 간의 매칭 효율성은 두 시스템 모두에서 식별된 트랙과 추적 전용 시스템에서의 트랙을 비교하여 정량화된다.
• 2010년과 2011년의 데이터를 분석하여 빛의 밀도 조건이 다른 상황에서도 시간에 따른 안정성과 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 운영 2년 동안 핵심 RPC 파라미터인 효율성, 다크 전류, 다크 레이트는 얼마나 안정적인가?
• RQ2 √sNN = 2.76 TeV 조건에서 Pb–Pb 충돌에서 뮤온 트리거 시스템은 얼마나 높은 효율성과 선택성을 유지하는가?
• RQ3 고입자 밀도를 가진 중심 충돌에서 저pT 뮤온과 강입자를 얼마나 효과적으로 거부하는가?
• RQ4 방사선 노출이 RPC 성능에 어떤 영향을 미치며, 장기 노화 시험 예측과 일치하는가?
• RQ5 트리거 시스템은 고pT 뮤온을 얼마나 정확하게 재구성하는가? 뮤온 추적 시스템과의 매칭 수준은 어떠한가?

주요 결과

• RPC 평균 효율성은 95%였으며, 2cm 폭의 스트립에서 클러스터 크기가 1.4로 우수한 공간 해상도와 신호 해상도를 나타낸다.
• 다크 전류 평균은 0.1 nA/cm², 다크 레이트는 0.05 Hz/cm²였으며, 시간에 따른 변화가 관측된 것은 다크 전류뿐이었다.
• 시간이 지남에 따라 높은 안정성을 유지하였으며, 다크 전류에 대한 미미한 변동 외에는 변화가 없었고, 고방사선 하중에 대한 견고성을 확인하였다.
• Pb–Pb 충돌에서 0–10% 중심성 조건에서 pT > 1 GeV/c일 경우 선택성은 60.9%였고, pT > 4 GeV/c일 경우 13.61%로 중심 영역에서 높은 선택성을 보였다.
• pT > 1 GeV/c 조건에서 트리거 타당성 곡선은 고pT 영역에서 약 1.0의 플랫폼에 도달하여 정확한 임계값 성능을 확인하였다.
• 추적 시스템과 트리거 시스템 간의 매칭 효율성은 고pT 영역에서 약 85%였으며, 주로 트리거 시스템의 비효율성보다는 강입자가 뮤온 필터에서 정지하는 데 기인하였다.