[논문 리뷰] The Pixel Luminosity Telescope: A detector for luminosity measurement at CMS using silicon pixel sensors

P. Lujan|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 17.

Particle Detector Development and Performance인용 수 1

한 줄 요약

픽셀 루미노스티티 전자현미경(PLT)은 LHC에서 순간 루미노시티를 고정밀도로 측정하기 위해 CMS에 설치된 실리콘 픽셀 검출기이다. 40 MHz의 빠른 읽기 모드를 사용하여 세 개의 센서 평면에서의 삼중 동시검출을 통해 배경을 억제함으로써 런 2 및 런 3 기간 동안 실시간 루미노시티 모니터링을 가능하게 하였으며, LS2 동안 방사선 손상된 센서를 교체하여 런 3 동안의 성능 유지를 확보하였다.

ABSTRACT

The Pixel Luminosity Telescope is a silicon pixel detector dedicated to luminosity measurement at the CMS experiment at the LHC. It is located approximately 1.75 m from the interaction point and arranged into 16 "telescopes", with eight telescopes installed around the beam pipe at either end of the detector and each telescope composed of three individual silicon sensor planes. The per-bunch instantaneous luminosity is measured by counting events where all three planes in the telescope register a hit, using a special readout at the full LHC bunch-crossing rate of 40 MHz. The full pixel information is read out at a lower rate and can be used to determine calibrations, corrections, and systematic uncertainties for the online and offline measurements. This paper details the commissioning, operational history, and performance of the detector during Run 2 (2015-18) of the LHC, as well as preparations for Run 3, which will begin in 2022.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 2 및 런 3 기간 동안 CMS 실험에서 실시간으로 고정밀도 루미노시티 측정을 제공하기 위해.
• 실리콘 픽셀 센서를 사용한 삼중 동시검출을 통해 루미노시티 측정의 배경과 노이즈를 억제하기 위해.
• 장기적인 데이터 수집 기간 동안 정확도를 유지하기 위해 장애물 방사선 손상에 대응하기 위해 장치 교체 및 校정을 통해 보정하기 위해.
• 가속기 운영 및 물리 분석을 지원하기 위해 신뢰할 수 있는 온라인 및 오프라인 루미노시티 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• PLT는 48개의 실리콘 픽셀 센서를 16개의 천체망원경으로 배열하여, 각 천체망원경은 빔 방향에 따라 정렬된 세 개의 센서 평면을 포함하여 상호작용 지점에서 유도된 입자 궤적을 탐지한다.
• 읽기 회로 칩에서 빠른 읽기 모드를 사용하여, 각 평면의 어떤 픽셀이라도 임계치를 초과하면 25 ns의 버스 크로스링크당 단일 펄스를 생성함으로써 40 MHz의 읽기 속도를 가능하게 하여 루미노시티 수량 측정에 적합하다.
• 세 평면 모두에서 충돌이 발생한 삼중 동시검출 이벤트는 순간 루미노시티를 측정하는 데 사용되며, 노이즈와 조합 배경을 크게 억제한다.
• 보정, 교정 및 체계적 불확도 평가를 위해, 트리거 신호를 통해 낮은 속도로 전체 픽셀 데이터를 기록한다.
• 가시 단면적 σvis는 밴 더 마이어 스캔 방법을 사용하여 결정되며, 삼중 동시검출과 루미노시티 사이의 校정 계수를 설정한다.
• 방사선 손상 영향은 현장 측정 및 장치 재보정을 통해 모니터링되고 보정되며, 런 3를 위해 LS2 기간 동안 새로운 PLT가 설치되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 실리콘 픽셀 검출기가 사소한 정지 시간을 최소화하면서 LHC에서 고정밀도 실시간 루미노시티 측정을 달성할 수 있는가?
• RQ2 루미노시티 측정에서 지배적인 배경의 원인은 무엇이며, 삼중 동시검출을 통해 어떻게 억제할 수 있는가?
• RQ3 방사선 손상은 PLT의 성능에 어떤 영향을 미치며, 장기간의 데이터 수집 기간 동안 정확도를 유지하기 위해 필요한 보정은 무엇인가?
• RQ4 빠른 읽기 모드가 총 40 MHz 버스 크로스링크 속도에서 측정 정밀도를 훼손하지 않고도 루미노시티 모니터링을 얼마나 잘 지원할 수 있는가?
• RQ5 중대한 방사선 노출 이후 런 3 기간 동안 신뢰할 수 있는 루미노시티 측정을 보장하기 위해 필요한 운영 및 校정 전략은 무엇인가?

주요 결과

• PLT는 삼중 동시검출을 사용하여 2015–2018년 런 2 기간 동안 40 MHz에서 고통계 정밀도로 순간 루미노시티를 성공적으로 측정하였다.
• 빠른 읽기 모드 덕분에, 센서 평면의 어떤 픽셀이라도 발화하면 각 버스 크로스링크당 단일 펄스를 생성함으로써 실시간 루미노시티 모니터링이 가능했다.
• 조합 배경과 빔 유도 배경이 갑작스러운 삼중 동시검출의 주요 원인으로 밝혀졌으며, 루미노시티 측정에서 보정이 필요했다.
• 방사선 손상으로 인해 σvis의 校정 상수가 시간이 지남에 따라 측정 가능한 변화를 보였으며, 런 2 기간 동안 현장 모니터링 및 보정이 필요했다.
• 2021년 7월 LS2 기간 동안 방사선 손상된 검출기를 교체하기 위해 새로운 PLT가 설치되어 런 3(2022–2024) 동안의 성능 유지가 보장되었다.
• 런 2 및 런 3 기간 동안의 PLT 운영 경험은 향후 BRIL 루미노시티 메터 설계 및 CMS Phase-2 트래커 프로젝트를 지원하는 데 기여할 것이다.