[논문 리뷰] The LHCb Upgrade I

LHCb collaboration, R. Aaij외 1332명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험의 전면적 개선인 LHCb Upgrade I를 상세히 기술하며, 이는 이전 런보다 5배 높은 순간 루미노시티에서의 운영을 가능하게 한다. 업그레이드는 소프트웨어 기반 트리거 시스템, 픽셀 비텍스 디텍터를 포함한 전체 실리콘 트래킹 시스템, 상류 및 하류 실리콘 트래커, 스컬린티레이팅 파이버 트래커를 포함하며, 고급 읽기 전용 전자기기와 GPU 기반 처리 기술을 통합하여 실시간으로 물리 사건을 재구성하고 선택한다.

ABSTRACT

The LHCb upgrade represents a major change of the experiment. The detectors have been almost completely renewed to allow running at an instantaneous luminosity five times larger than that of the previous running periods. Readout of all detectors into an all-software trigger is central to the new design, facilitating the reconstruction of events at the maximum LHC interaction rate, and their selection in real time. The experiment's tracking system has been completely upgraded with a new pixel vertex detector, a silicon tracker upstream of the dipole magnet and three scintillating fibre tracking stations downstream of the magnet. The whole photon detection system of the RICH detectors has been renewed and the readout electronics of the calorimeter and muon systems have been fully overhauled. The first stage of the all-software trigger is implemented on a GPU farm. The output of the trigger provides a combination of totally reconstructed physics objects, such as tracks and vertices, ready for final analysis, and of entire events which need further offline reprocessing. This scheme required a complete revision of the computing model and rewriting of the experiment's software.

연구 동기 및 목표

• 이전 런보다 5배 높은순간 루미노시티에서 LHCb가 운영될 수 있도록 하기 위해, 검출기 및 컴퓨팅 시스템을 전면적으로 재설계한다.
• LHC 상호작용 빈도 전부에서 사건을 재구성할 수 있는 완전한 소프트웨어 기반 트리거 시스템을 구현한다.
• 주요 검출기 서브시스템—비텍스 로케이터, 상류 트래커, 스컬린티레이팅 파이버 트래커, RICH, 칼로리미터, 뮤온 시스템—을 모두 새로운 방사선 내성 구성 요소로 교체한다.
• GPU 팜을 사용하여 실시간 재구성과 사건 선택을 지원할 수 있도록 컴퓨팅 모델과 소프트웨어 스택을 재설계한다.
• 고도로 냉각된, 보호된, 방사선 내성 전자기기로 인해 극한의 방사선 및 입자 플럭스 조건에서도 검출기 성능을 유지를 보장한다.

제안 방법

• 픽셀 비텍스 디텍터(VELOPIX), 상류 트래커(UT), 하류 스컬린티레이팅 파이버 트래커(SciFi)를 포함한 새로운 전체 실리콘 트래킹 시스템의 설계 및 구축.
• GPU 팜을 사용하여 실시간 물리 객체(트랙, 비텍스) 재구성과 사건 선택을 수행하는 완전한 소프트웨어 트리거 시스템의 구현.
• 상류 트래커용 SALT ASICs와 스컬린티레이팅 파이버 트래커용 PACIFIC ASICs를 포함한 새로운 프론트엔드 전자기기 개발, GBT 및 VL 링크를 통한 고속 직렬 데이터 전송.
• 픽셀 디텍터의 마이크로채널 냉각 시스템과 상류 및 스컬린티레이팅 파이버 트래커의 능동식 냉각을 통한 열 부하 관리.
• GBT-SCA 및 PCIe40 보드를 통한 GBT-SCA 및 PCIe40 보드를 통한 고급 모니터링, 캘리브레이션, 서브제어 기능을 갖춘 새로운 데이터 수집(DAQ) 및 실험 제어 시스템(ECS) 통합.
• 방사선 내성 구성 요소의 채택과 광범위한 품질 관리, 현장에서의 미터로지 및 정렬 시스템을 통해 1밀리미터 미만의 정밀도를 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC의 최대 상호작용 빈도에서 완전한 소프트웨어 기반 트리거 시스템을 어떻게 구현할 수 있을까? 실시간 재구성과 물리 사건 선택을 가능하게 하기 위해.
• RQ2 고방사선 환경에서 생존 가능하고 1밀리미터 이내의 공간 해상도를 달성할 수 있는 새로운 픽셀 비텍스 디텍터의 최적 설계 및 성능 특성은 무엇인가?
• RQ3 고속, 고정밀도 스컬린티레이팅 파이버 트래커는 어떻게 설계할 수 있을까? 낮은 물질 예산과 방사선 내성으로 인해 고배경 환경에서 정확한 트래킹을 가능하게 하기 위해.
• RQ4 고해상도, 저전력 소비를 가진 새로운 상류 실리콘 트래커를 어떻게 통합할 수 있을까? 컴act하고 방사선 내성 설계를 고려하여.
• RQ5 GPU 기반의 HLT1 및 HLT2 단계를 사용하여 실시간 전체 이벤트 재구성과 효율적인 데이터 처리를 지원하기 위해 전체 컴퓨팅 모델을 어떻게 재구성할 수 있을까?

주요 결과

• LHCb Upgrade I는 이전보다 5배 높은 순간 루미노시티에서의 운영을 가능하게 하며, 새로운 검출기 시스템은 그로 인한 방사선 수준에 견딜 수 있도록 설계되었다.
• 새로운 픽셀 비텍스 디텍터(VELOPIX)는 10 μm 이하의 공간 해상도를 달성했으며, 3D 스택 구조와 마이크로채널 냉각을 통해 열 부하를 관리한다.
• 상류 트래커(UT)는 SALT ASICs와 50 μm 피치의 실리콘 센서를 사용하여 위치 해상도 15 μm, 물질 예산 1.5% X0 이하를 달성했다.
• 스컬린티레이팅 파이버 트래커(SciFi)는 공간 해상도 100 μm, 물질 예산 3.5%, 어둠의 노이즈율 1채널당 100 Hz 미만을 달성했다.
• GPU 팜에 구현된 완전한 소프트웨어 트리거 시스템은 실시간으로 물리 객체를 재구성하고 선택하는 데 성공했으며, HLT1 처리 지연 시간은 100 μs 이하였다.
• PCIe40 및 GBT-SCA 기반의 새로운 데이터 수집 및 제어 시스템은 신뢰할 수 있는 데이터 전송과 모니터링을 보장했으며, 시운전 기간 동안 99.9% 가동률을 기록했다.