[论文解读] Performance of Michigan sMDT Prototype Chambers for the HL-LHC ATLAS Muon Detector Upgrade

K. Nelson, Y. Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Particle Detector Development and Performance参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文评估了密歇根大学为HL-LHC ATLASμ子探测器升级项目所研制的两款小直径监控漂移管（sMDT）原型 chamber 的性能。利用宇宙射线μ子，两个 chamber 的定位分辨率分别达到 101.8±7.8 µm 和 103.7±8.1 µm，满足 106 µm 的设计目标，而采用高增益电子学后分辨率进一步提升至 83.4±7.8 µm。平均效率测量值为 98.5±0.2%，证实了这些 chamber 已具备大规模生产的条件。

ABSTRACT

A new small-diameter Monitored Drift Tube (sMDT) chamber has been developed for the muon spectrometer of the ATLAS experiment to handle the higher collision rates expected at the CERN High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). This paper presents measurements of the tracking resolution and hit efficiency of two prototype sMDT chambers constructed at the University of Michigan. Using cosmic-ray muons the sMDT tracking resolution of 103.7$\pm8.1$ extmu m was measured for one chamber and 101.8$\pm$7.8 extmu m for the other, compared with a design resolution of 106 extmu m. A further tracking resolution improvement to 83.4$\pm$7.8 extmu m was obtained by using new high-gain readout electronics which will be added for HL-LHC. An average tracking efficiency of (98.5$\pm$0.2)\% was found for both chambers. The methodology used to determine the detector tracking resolution and efficiency, including reconstruction of sMDT data and a Geant4 simulation of the test chamber, is presented in detail.

研究动机与目标

• 验证用于HL-LHC ATLASμ子谱仪升级的小直径监控漂移管（sMDT）原型 chamber 的定位分辨率与效率。
• 评估sMDT chamber 是否满足 106 µm 单次打点分辨率和 94% 层效率的设计规格。
• 开发并应用一种稳健的分辨率与效率测量方法，包括 r(t) 校准与多重散射去卷积。
• 证明使用高增益读出电子学（ASD-2）可使分辨率超越设计目标的可行性。

提出的方法

• 通过线性化最小二乘法对每个漂移管进行在位 r(t) 校准，以确定时间到空间的转换函数。
• 引入 Δt₀ 参数，以校正大型闪烁体触发系统引起的触发时间抖动。
• 利用Geant4模拟来建模宇宙射线μ子能谱，并模拟多重库仑散射效应。
• 通过将模拟的散射分布拟合到径向分箱中的测量分辨率数据，实现对多重散射效应的去卷积。
• 通过使用二阶多项式对残差与半径曲线进行迭代拟合，以建模位置相关的分辨率不确定性。
• 通过校准、轨迹拟合、信号时间与模拟各部分的误差传播，估算系统性不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙射线条件下，原型 sMDT chamber 是否实现了 106 µm 的目标定位分辨率？
• RQ2 高增益 ASD-2 电子学的引入对测量定位分辨率有何影响？
• RQ3 sMDT chamber 的本征打点效率是多少？与 94% 的设计目标相比如何？
• RQ4 多重库仑散射与信号传播时间对分辨率劣化的影响程度如何？
• RQ5 系统性不确定度（尤其是来自 r(t) 校准与软电子组分）对最终分辨率与效率测量的影响有多大？

主要发现

• 原型 sMDT chamber 在宇宙射线条件下的单次打点定位分辨率分别为 103.7±8.1 µm（BMG chamber）和 101.8±7.8 µm（BIS chamber），均在 106 µm 的设计目标范围内。
• 采用高增益 ASD-2 电子学后，BIS chamber 的分辨率提升至 83.4±7.8 µm，显著优于设计规格。
• 两个 chamber 的测量打点效率均为 (98.5±0.2)%，表明所有层与所有管路均表现出优异性能。
• 效率损失的主要来源是活性气体体积之间的 0.9 mm 间隙（两片 0.4 mm 管壁与 0.1 mm 间距），其中管壁区域贡献了剩余的大部分效率损失。
• 系统性不确定度主要来源于轨迹拟合（5.5 µm）、统计涨落（3.5 µm）与信号传播时间（2.2 µm），两个 chamber 的总分辨率不确定度分别为 8.1 µm 和 7.8 µm。
• 去卷积方法成功校正了多重散射效应，使得在真实μ子动量条件下能够实现准确的分辨率测量。