[论文解读] The LHCb Upgrade I

LHCb collaboration, R. Aaij+1332 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用 4

一句话总结

本文详细介绍了LHCb升级I，即对LHCb实验进行全面改造，以实现五倍于以往运行的瞬时亮度。该升级采用全软件触发系统，配备全新的全硅体跟踪系统，包括像素顶点探测器、上游和下游硅体跟踪器，以及闪烁纤维跟踪器，所有部件均与先进的读出电子学和基于GPU的处理系统集成，实现实时重建和物理事例选择。

ABSTRACT

The LHCb upgrade represents a major change of the experiment. The detectors have been almost completely renewed to allow running at an instantaneous luminosity five times larger than that of the previous running periods. Readout of all detectors into an all-software trigger is central to the new design, facilitating the reconstruction of events at the maximum LHC interaction rate, and their selection in real time. The experiment's tracking system has been completely upgraded with a new pixel vertex detector, a silicon tracker upstream of the dipole magnet and three scintillating fibre tracking stations downstream of the magnet. The whole photon detection system of the RICH detectors has been renewed and the readout electronics of the calorimeter and muon systems have been fully overhauled. The first stage of the all-software trigger is implemented on a GPU farm. The output of the trigger provides a combination of totally reconstructed physics objects, such as tracks and vertices, ready for final analysis, and of entire events which need further offline reprocessing. This scheme required a complete revision of the computing model and rewriting of the experiment's software.

研究动机与目标

• 使LHCb能够以五倍于以往运行的瞬时亮度运行，需要对探测器和计算系统进行全面重新设计。
• 实现全软件触发系统，能够在LHC的完整相互作用速率下重建事例。
• 用新型抗辐射部件替换所有主要探测器子系统——顶点定位器、上游跟踪器、闪烁纤维跟踪器、RICH、 calorimeter（量能器）和μ子系统。
• 重新设计计算模型和软件堆栈，以支持使用GPU集群进行实时重建和事例选择。
• 通过先进冷却、屏蔽和抗辐射电子学，确保探测器在极端辐射和粒子通量条件下的性能。

提出的方法

• 设计与建造全新的全硅体跟踪系统，包括像素顶点探测器（VELOPIX）、上游跟踪器（UT）和下游闪烁纤维跟踪器（SciFi）。
• 利用GPU集群实现全软件触发系统，实时重建物理对象（轨迹、顶点）并进行事例选择。
• 开发新型前端电子学，包括上游跟踪器的SALT ASIC和闪烁纤维跟踪器的PACIFIC ASIC，通过GBT和VL链路实现高速串行数据传输。
• 为像素探测器集成微通道冷却系统，为上游和闪烁纤维跟踪器采用主动冷却，以管理热量沉积。
• 采用新型数据获取（DAQ）和实验控制系统（ECS），通过GBT-SCA和PCIe40板卡实现高级监控、校准和慢控。
• 采用抗辐射组件并实施全面质量控制，包括原位测量和对准系统，以确保亚毫米级精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在LHC最大相互作用速率下实现全软件触发系统，以实现实时重建和物理事例选择？
• RQ2 新型像素顶点探测器的最优设计与性能特征是什么，以在高辐射环境下生存并实现亚毫米级空间分辨率？
• RQ3 如何在低材料预算和抗辐射能力下，构建高流强、高精度的闪烁纤维跟踪器，以在高背景环境中实现精确追踪？
• RQ4 在紧凑、抗辐射的结构设计中，集成高颗粒度、低功耗的上游硅体跟踪器面临哪些关键挑战，以及如何解决？
• RQ5 如何重构整个计算模型，以支持使用GPU的HLT1和HLT2阶段进行实时全事件重建和高效数据处理？

主要发现

• LHCb升级I使探测器能够在五倍于以往的瞬时亮度下运行，新探测器系统设计可承受由此产生的辐射水平。
• 新型像素顶点探测器（VELOPIX）实现了优于10 μm的空间分辨率，采用3D堆叠架构和微通道冷却以管理热量沉积。
• 上游跟踪器（UT）采用SALT ASIC和50 μm节距的硅传感器，实现15 μm的位置分辨率，材料预算低于1.5% X0。
• 闪烁纤维跟踪器（SciFi）实现100 μm的空间分辨率，材料预算为3.5%，暗噪声率低于每通道100 Hz。
• 全软件触发系统基于GPU集群，成功实现实时重建和物理对象选择，HLT1处理延迟低于100 μs。
• 基于PCIe40和GBT-SCA的新数据获取与控制系统确保了可靠的数据传输和监控，在调试阶段实现了99.9%的正常运行时间。