[论文解读] The Pixel Luminosity Telescope: A detector for luminosity measurement at CMS using silicon pixel sensors

P. Lujan|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 1

一句话总结

像素亮度望远镜（PLT）是安装在CMS实验中用于在LHC上以高精度测量瞬时亮度的硅像素探测器。通过40 MHz的快速读出模式，它在三个感测器平面之间检测三重符合信号以抑制背景，从而实现实时亮度监测，适用于Run 2和Run 3。在LS2期间，辐射损伤的感测器被更换，以确保在Run 3中持续保持性能。

ABSTRACT

The Pixel Luminosity Telescope is a silicon pixel detector dedicated to luminosity measurement at the CMS experiment at the LHC. It is located approximately 1.75 m from the interaction point and arranged into 16 "telescopes", with eight telescopes installed around the beam pipe at either end of the detector and each telescope composed of three individual silicon sensor planes. The per-bunch instantaneous luminosity is measured by counting events where all three planes in the telescope register a hit, using a special readout at the full LHC bunch-crossing rate of 40 MHz. The full pixel information is read out at a lower rate and can be used to determine calibrations, corrections, and systematic uncertainties for the online and offline measurements. This paper details the commissioning, operational history, and performance of the detector during Run 2 (2015-18) of the LHC, as well as preparations for Run 3, which will begin in 2022.

研究动机与目标

• 在LHC的Run 2和Run 3期间，为CMS实验提供实时、高精度的亮度测量。
• 通过硅像素感测器的三重符合检测方法，减轻亮度测量中的背景和噪声。
• 通过在长停机期2（LS2）期间更换探测器和校准，维持测量精度，即使在辐射损伤影响下也能保持性能。
• 通过提供可靠在线和离线亮度数据，支持加速器运行和物理分析。

提出的方法

• PLT使用48个硅像素感测器，排列成16个望远镜，每个望远镜包含三个沿束流方向对齐的感测器平面，用于探测来自相互作用点的粒子轨迹。
• 读出芯片采用快速读出模式，若任一像素在平面内超过阈值，则每25 ns束流交叉时间产生单个脉冲，实现40 MHz的读出速率，用于亮度计数。
• 使用三重符合事件——即望远镜中所有三个平面均检测到信号——来测量瞬时亮度，显著抑制噪声和组合背景。
• 通过触发信号以较低速率记录完整像素数据，以支持校准、修正和系统不确定度评估。
• 利用范德梅尔扫描方法确定有效截面σvis，建立三重符合事件与亮度之间的校准因子。
• 通过原位测量和探测器重新校准，监测并校正辐射损伤的影响，LS2期间已安装新的PLT以支持Run 3。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅像素探测器如何在LHC上实现高精度、实时亮度测量，且死时间最小化？
• RQ2 亮度测量中的主要背景来源是什么？如何通过三重符合检测方法加以抑制？
• RQ3 辐射损伤如何影响PLT的性能？在长时间数据获取期间，需要采取何种校正措施以维持精度？
• RQ4 快速读出模式在不牺牲测量保真度的前提下，能在多大程度上实现在40 MHz束流交叉速率下的亮度监测？
• RQ5 在经历显著辐射暴露后，为确保Run 3期间可靠亮度测量，需要采取何种运行和校准策略？

主要发现

• PLT在Run 2（2015–2018）期间成功以40 MHz的速率实现了高统计精度的瞬时亮度测量，采用三重符合检测方法。
• 快速读出模式通过在任一感测器平面像素触发时产生单个脉冲，实现了每束流交叉时间的实时亮度监测。
• 组合背景和束流诱导背景被识别为意外三重符合事件的主要来源，需在亮度测量中进行修正。
• 辐射损伤导致校准常数σvis随时间产生可测量的变化，因此在Run 2期间需进行原位监测和校正。
• 2021年7月在LS2期间安装了新的PLT，以替换受损的辐射探测器，确保在Run 3（2022–2024）期间持续运行。
• PLT在Run 2和Run 3期间的运行经验将为未来BRIL亮度计设计提供参考，并支持CMS Phase-2跟踪器项目。