[论文解读] The ATLAS and CMS Plans for the LHC Luminosity Upgrade

D. Bortoletto|ArXiv.org|Sep 3, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文概述了大型强子对撞机（LHC）亮度升级期间ATLAS与CMS探测器的升级计划，重点针对第一阶段（目标亮度为3×10³⁴ cm⁻²s⁻¹）和第二阶段（SLHC，目标亮度为1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹）。文章详细介绍了抗辐射探测器技术，包括新型跟踪系统、升级后的电磁量能器与强子量能器，以及采用快速ADC和Micromega室的先进触发系统，以确保在极端辐射和高计数率条件下仍能保持高性能。

ABSTRACT

In January 2007 the CERN director general announced the plan for the staged upgrade of the LHC luminosity. The plan foresees a phase 1 upgrade reaching a peak luminosity of $3 imes 10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ followed by phase reaching up to $ 10^{35}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$. We discuss the physics potential and the experimental challenges of an upgraded LHC running. The detector R&D needed to operate ATLAS and CMS in a very high radiation environment and the expected detector performance are also discussed.

研究动机与目标

• 解决对更高亮度的需求，以充分挖掘LHC的物理潜力，特别是发现希格斯玻色子及标准模型之外的新物理。
• 应对在第二阶段（SLHC）亮度达到1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹时所面临的高辐射与粒子流带来的实验挑战。
• 通过全面的研发与硬件升级，确保ATLAS与CMS探测器在极端辐射环境下维持或提升物理性能。
• 开发并验证新型探测器技术（如快速ADC、Micromega室及升级后的跟踪系统），以实现极高亮度下的稳定运行。
• 通过辐照实验与模拟数据评估辐射损伤与本底率，为长期探测器设计与研发提供指导。

提出的方法

• 实施分阶段亮度升级：第一阶段（3×10³⁴ cm⁻²s⁻¹）通过用Linac 4替代现有加速器，并利用Nb-Ti超导三重磁铁将β*减小至0.25 m。
• 针对第二阶段（SLHC，1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹），设计新型注入器（包括LPSPL与PS2），以提升质子通量与注入能量。
• 在第二阶段停机期间更换整个ATLAS跟踪系统，第一阶段计划提前更换b层探测器。
• 采用快速前端数字化技术，使用低功耗ADC（≤0.4 W/ADC）与光信号传输，降低功耗并支持离线数据处理链路。
• 评估新技术如SiGe Bi-CMOS用于液体氩量能器读出，以及Micromega室在高计数率、高精度μ子追踪与触发中的应用。
• 在Tapiro反应堆对MDT与RPC室进行辐照测试，评估其在SLHC中子通量（相当于约40年数据积累）下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS与CMS探测器需进行哪些升级，才能在SLHC亮度1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹下可靠运行？
• RQ2 增加的辐射与粒子本底将如何影响关键探测器组件（如μ子谱仪与跟踪系统）的性能？
• RQ3 在SLHC辐射条件下，现有技术（如MDT、RPC、CSC）的性能极限是什么？通过屏蔽或升级能否延长其使用寿命？
• RQ4 快速、低功耗ADC与光信号传输是否能够实现高效、抗辐射的前端数字化，适用于高计数率环境？
• RQ5 新型技术如Micromega室与SiGe Bi-CMOS读出在高亮度下对维持触发与跟踪性能起到何种作用？

主要发现

• 辐照至相当于约40年SLHC数据积累的中子通量后，MDT室未观察到显著性能退化，表明其在预期条件下的鲁棒性。
• 若本底水平与模拟结果一致且屏蔽措施将通量降低约2倍，RPC有望在SLHC中正常运行，但第一年数据对验证至关重要。
• 若束流加热影响性能，ATLAS前向量能器可能需要在现有量能器前增加新的常温量能器；但若预测成立，仅需部分更换室即可。
• Micromega室因其高计数率能力（达数十kHz/cm²）、亚纳秒时间分辨率及亚100 µm空间分辨率，是未来前向μ子触发的有力候选。
• 采用快速、低功耗ADC（≤0.4 W/ADC）结合光信号传输，可实现离线数字化，降低功耗并简化前端电子学设计。
• 第一阶段升级（包括Linac 4与β*减小）预计可使峰值亮度提升至3×10³⁴ cm⁻²s⁻¹，第二阶段则通过新注入器与机器升级实现1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹。