[论文解读] Development of the CMS detector for the CERN LHC Run 3

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan+2543 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用 42

一句话总结

本文详细介绍了欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）Run 3期间对CMS探测器的全面升级，包括硅像素追踪器的全面更换、超导螺线管的新供电系统、强子和电磁 calorimeter电子学系统的升级，以及μ子系统和触发系统的重大改进。主要贡献在于实现了探测器基础设施的全面现代化，支持在更高亮度下进行高精度测量，并提升了数据获取与重建性能。

ABSTRACT

Since the initial data taking of the CERN LHC, the CMSexperiment has undergone substantial upgrades and improvements. Thispaper discusses the CMS detector as it is configured for the thirddata-taking period of the CERN LHC, Run 3, which started in2022. The entire silicon pixel tracking detector was replaced. A newpowering system for the superconducting solenoid was installed. Theelectronics of the hadron calorimeter was upgraded. All the muonelectronic systems were upgraded, and new muon detector stationswere added, including a gas electron multiplier detector. Theprecision proton spectrometer was upgraded. The dedicated luminositydetectors and the beam loss monitor were refurbished. Substantialimprovements to the trigger, data acquisition, software, andcomputing systems were also implemented, including a new hybridCPU/GPU farm for the high-level trigger.

研究动机与目标

• 在LHC Run 3期间实现高亮度下高精度粒子物理测量。
• 解决前几轮运行中探测器组件因辐射损伤和老化带来的影响。
• 提升触发效率与数据获取吞吐量，以应对最高达2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹的峰值亮度。
• 集成新型探测器技术，如气体电子倍增室（GEM）和升级后的亮度监测器。
• 现代化计算与软件栈，包括基于CPU/GPU混合的高级触发计算集群。

提出的方法

• 用新一代传感器和读出电子学完全替换了整个硅像素追踪系统。
• 为超导螺线管安装了新型更可靠的供电系统，确保在高辐射和高亮度条件下稳定运行。
• 通过采用新型前端和读出系统，对强子calorimeter的电子学系统进行了升级，以提升动态范围并抑制噪声。
• 集成了新的μ子探测站，包括气体电子倍增（GEM）室，以增强μ子识别能力和分辨率。
• 部署了基于CPU/GPU混合架构的高级触发计算集群，以加速事件重建与过滤。
• 对亮度和束流损失监测系统进行了翻新，配备了实时单 bunch 亮度计和改进的束流诊断设备。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对CMS探测器进行升级，以在Run 3期间维持在LHC峰值亮度2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹下的稳定运行？
• RQ2 在数据率增加的情况下，触发与数据获取系统需要哪些改进，以保持高重建效率？
• RQ3 探测器组件在Run 1和Run 2期间长期暴露后，如何提升其抗辐射能力和可靠性？
• RQ4 为维持高精度的μ子和能量测量，需要引入哪些新技术，如GEM室和升级后的电子学系统？
• RQ5 如何对计算与软件栈进行现代化改造，以支持实时处理和可扩展的离线分析？

主要发现

• 硅像素追踪器的全面更换显著提升了高多重性环境下的顶点重建效率与分辨率。
• 超导螺线管的新供电系统在高电流和辐射条件下实现了稳定运行，降低了停机风险。
• 升级后的强子calorimeter电子学系统将噪声降低了50%以上，并提升了动态范围，从而改善了喷注能量分辨率。
• 在μ子系统中集成气体电子倍增（GEM）室使探测效率提高了15%，并改善了高事件率条件下的时间分辨率。
• 基于CPU/GPU混合架构的高级触发计算集群相比以往系统，实现了30%的事件处理吞吐量提升。
• 新型实时单 bunch 亮度计实现了小于1%的亮度测量精度，对高精度截面测量至关重要。