[论文解读] Experimental Challenges of the European Strategy for Particle Physics

S. N. White|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文通过开发能够在高流强、高辐射环境下实现亚20皮秒时间分辨率的高精度时间探测器，解决了HL-LHC时代堆叠效应的抑制问题。该研究提出了一种深耗尽APD/微孔多丝正比计数器（MicroMegas）追踪器设计，其时间抖动约为21皮秒，主要源于Landau/Vavilov信号涨落，展示了通过改进时间触发事件重建技术，显著降低ATLAS和CMS实验中堆叠效应的可行路径。

ABSTRACT

In planning for the Phase II upgrades of CMS and ATLAS major considerations are: 1)being able to deal with degradation of tracking and calorimetry up to the radiation doses to be expected with an integrated luminosity of 3000 $fb^{-1}$ and 2)maintaining physics performance at a pileup level of ~140. Here I report on work started within the context of the CMS Forward Calorimetry Task Force and continuing in an expanded CERN RD52 R$&$D program integrating timing (i.e. measuring the time-of-arrival of physics objects) as a potential tool for pileup mitigation and ideas for Forward Calorimetry. For the past 4 years our group has focused on precision timing at the level of 10-20 picoseconds in an environment with rates of $~10^6-10^7$ Hz/$cm^2 $ as is appropriate for the future running of the LHC (HL-LHC era). A time resolution of 10-20 picoseconds is one of the few clear criteria for pileup mitigation at the LHC, since the interaction time of a bunch crossing has an rms of 170 picosec. While work on charged particle timing in other contexts (i.e. ALICE R$&$D) is starting to approach this precision, there have been essentially no technologies that can sustain performance at these rates. I will present results on a tracker we developed within the DOE Advanced Detector R$&$D program which is now meeting these requirements. I will also review some results from Calorimeter Projects developed within our group (PHENIX EMCAL and ATLAS ZDC) which achieved calorimeter timing precision< 100 picoseconds.

研究动机与目标

• 解决HL-LHC中事件堆叠问题，其中瞬时堆叠水平可能达到140，从而降低物理分析性能。
• 开发基于时间的抑制堆叠工具，尤其针对前向质子残余物的重建以及减少喷注误关联。
• 在典型HL-LHC环境（10^6–10^7 Hz/cm²）的高流强、高辐射条件下，实现亚20皮秒时间分辨率。
• 优化探测器设计与电子学系统，以最小化时间抖动，重点聚焦于信号形成与噪声抑制。
• 将时间测量能力集成到CMS与ATLAS未来的升级方案中，特别是在前向 calorimeter 和追踪系统中。

提出的方法

• 设计并原型化一种具有60 µm耗尽区的深耗尽APD，其中仅最后40 µm区域支持饱和电场，以实现快速信号形成。
• 使用MicroMegas网格作为外部电容板，以减少时间走漂移和位置相关的定时抖动。
• 利用Ramo定理建模电荷漂移与信号感应，重点研究电子以约10 ps/µm的速度向增益区域漂移的过程。
• 通过将40 µm区域划分为40层，每层厚1 µm，每层中能量沉积服从Landau/Vavilov分布，模拟信号形成过程。
• 应用恒定分数时间测量算法，测量平均信号到达时间，并评估非高斯信号分布引起的抖动。
• 利用飞秒激光脉冲进行束流测试，以验证时间性能，并优化前置放大器与探测器电容（60 pF）的匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HL-LHC辐射与速率条件下，硅探测器是否能够实现亚20皮秒时间分辨率？
• RQ2 在薄硅探测器中，电荷沉积的Landau/Vavilov涨落对时间抖动的贡献程度如何？
• RQ3 MicroMegas网格作为外部电容在抑制深耗尽APD中位置相关时间走漂移方面效果如何？
• RQ4 探测器厚度与增益对时间抖动的影响是什么？如何实现最优权衡？
• RQ5 基于时间的重建方法是否能将希格斯玻色子与矢量玻色子融合分析中的堆叠效应降低一个数量级？

主要发现

• 深耗尽APD/MicroMegas设计将时间抖动从>0.6 ns降低至约21 ps，主要归因于对位置相关时间走漂移的有效抑制。
• 在40 µm厚硅层中，由Landau/Vavilov涨落引起的时间抖动被量化为约21皮秒，适用于最小电离粒子。
• 抖动随耗尽深度减小而成比例降低，表明通过更薄、高增益的设计可进一步提升性能。
• 信号形成与漏电流引起的噪声仍低于当前测量中观察到的极限，表明存在进一步优化的空间。
• 束流测试正在进行中，旨在通过改进电子学系统（SAMPIC、DRS5、HPTDC）和噪声抑制技术，验证亚20皮秒时间分辨率。
• 特别是ATLAS ZDC数据表明，时间测量性能具有潜力，可集成到未来基于时间的堆叠抑制策略中。