[論文レビュー] CMS pixel upgrade project

Hans-Christian Kästli|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、より高い光度における性能制限に対処するためのCMSピクセル・デティクタのフェーズIアップグレードを提示している。冷却に二相CO2を用い、材料低減を実現した機械的構造と、新しいデジタルデータ読み出しシステムを採用している。アップグレードにより、トラッキング効率が約20%向上し、偽陽性率は最大10倍まで低下する。インパクト・パラメータ分解能は30%向上し、90%のライトジェット拒否率を維持した状態でbタグ効率は70%から86%に向上する。

ABSTRACT

The LHC machine at CERN finished its first year of pp collisions at a center of mass energy of 7 TeV. While the commissioning to exploit its full potential is still ongoing, there are plans to upgrade its components to reach instantaneous luminosities beyond the initial design value after 2016. A corresponding upgrade of the innermost part of the CMS detector, the pixel detector, is needed. A full replacement of the pixel detector is planned in 2016. It will not only address limitations of the present system at higher data rates, but will aggressively lower the amount of material inside the fiducial tracking volume which will lead to better tracking and b-tagging performance. This article gives an overview of the project and illuminates the motivations and expected improvements in the detector performance.

研究の動機と目的

• 10^34 cm⁻²s⁻¹を超えるLHCの光度条件下で、データレートの増加と放射線損傷に対処するため、内側のピクセル・デティクタをアップグレードする。
• トラッキング領域の有効体積内での材料を低減し、インパクト・パラメータ分解能とトラッキング性能を向上させる。
• 高レート環境下でのバッファ制限および二列読み出し遅延に起因するデータ損失とデッドタイムを最小限に抑える。
• 新しい機械的設計と高度な読み出し電子回路により、より高いトラッキング効率と低い偽陽性率を実現する。
• 高多重度環境下でのインパクト・パラメータ分解能とトラック再構築の向上により、bタグ性能を向上させる。

提案手法

• 質量密度とパイプ径の低減を図るため、単相C6F14冷却から二相CO2冷却に切り替えることで、材料コストを10分の1に削減する。
• 冷却パイプと電子基板を有効トラッキング領域の外側に配置するように機械的構造を再設計する。特に|η| < 2.16領域で顕著な改善を図る。
• 160/320 MHzリンクを用いた新しいデジタルデータ読み出しシステムを導入し、アナログリンクを置き換えることで、データ伝送速度を向上させる。
• ROCレベルに読み出しバッファを導入することで、二列デッドタイムを排除し、非効率性を15%から6%に低減する。
• 保護されたバッファセルを備えた修正版二列論理を導入し、停止を伴わず連続的なデータ取得を可能にする。
• CMSソフトウェアフレームワーク内でのGEANT4を用いた新しいデティクタ幾何形状のシミュレーションにより、現実的な条件下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高光度下でのトラッキングおよびインパクト・パラメータ分解能を向上させるために、ピクセル・デティクタの材料コストをどのように低減できるか？
• RQ2 新しい機械的および電子的設計により、トラッキング効率と偽陽性率にどのような向上が達成できるか？
• RQ3 バッファド読み出しアーキテクチャにより、データ損失およびデッドタイムはどの程度低減できるか？
• RQ4 新しいデティクタ幾何形状は、高多重度イベントにおけるbタグ性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 2×10^34 cm⁻²s⁻¹におけるインパクト・パラメータ分解能およびトラッキング効率の期待される性能向上はどの程度か？

主な発見

• 四層シーディングによるヒットカバレッジの向上により、全ピロチペディティュード領域でトラッキング効率が約20%向上し、特にバーレル領域で顕著である。
• 多重散乱の低減とシーディングの向上により、高多重度領域において偽陽性率が最大10倍まで低下する。
• 有効体積内での材料低減により、横方向運動量が約5 GeVのトラックのインパクト・パラメータ分解能が約30%向上する。
• 一定のライトジェット拒否率90%を維持した場合、bタグ効率は70%から86%に向上する。あるいは、70%のbジェット効率を維持した場合、拒否要因は約10から約50に向上する。
• 新しいデジタル読み出しとバッファドアーキテクチャにより、内側の1層における非効率性が15%から6%に低下し、データ取得効率が顕著に向上する。
• 機械的再設計により、|η| < 2.16領域での材料が2.6倍低減され、冷却に使用される材料全体が10倍に削減される。