Χαρακτηρισμός της απόδοσης του ανιχνευτή Micromegas για την αναβάθμιση New Small Wheel και ανάπτυξη και βελτίωση του συστήματος αυτομάτου ελέγχου των ανιχνευτών μιονίων στο πείραμα ATLAS

Abstract

The upgrade of the ATLAS muon spectrometer is primarily motivated by the high background radiation expected during Run-3 (2021) and ultimately at in HL-LHC (2026). Owing to this the detectors that occupy the innermost muon station called Small Wheel (SW), MDT, CSC \& TGC, will go beyond their design luminosity limit. In addition, the muon trigger rate will exceed the available bandwidth because of the fake endcap muon triggers (90% is coming from low energy particles, generated in the material located between the Small Wheel and the outer endcap muon station). The collaboration has decided to replace the SW with a NSW system combining sTGC & resistive MM detectors in order to maintain the excellent performance of the muon system beyond Run-2. Both detector technologies should provide tracking and triggering information for redundancy. The NSW will contribute to the suppression of fake triggers by reconstructing high quality (σ~1mrad) IP pointing segments online. Moreover, efficient \& precise offline tracking (σ~100μm) even for the maximum expected rate of (15kHz/(cm2) is required. The NSW requires fully efficient high-rate capable MM chambers with a single plane spatial resolution better than 100μm independent of the track incidence angle and the magnetic field (B<0.3T). Along with the precise tracking the MM should be able to provide a trigger signal, complementary to the sTGC, thus a decent timing resolution is required. The studies focus on the efficiency as well as hit and time reconstruction accuracy measured during these tests demonstrating the excellent characteristics of the MM. Moreover, owing to the moderate magnetic field expected in the NSW region, dedicated studies have been devoted in understanding the effect of the Lorentz force on the MM performance when operated inside a magnetic field. The effect of the field has been well understood using test beams, with chambers operated inside magnets, and in simulation. Owing to the quantitative agreement between simulation and test beam measurements the exact knowledge of the magnetic field value has become a prerequisite for a precise track reconstruction in the NSW Micromegas in order to correct for the field effect. Complementary to studying and optimising the MM performance, the use of readout geometries with different characteristics had been studied. The adoption of these schemes for the MM readout minimise the number of detection layers and electronic channels, decreasing the complexity, and make the application of Micromegas in large scale experiments feasible. The use of a stereo readout scheme, as foreseen for the NSW MM, allows for a two-dimensional hit position reconstruction with a decent accuracy. The validation of the stereo principle has been performed studying a medium size quadruplet prototype MM, following the NSW stereo readout scheme. Moreover, the possibility of multiplexing MM strips into a smaller number of electronic channels has been studied. The results demonstrate the feasibility of the multiplexing concept, proving that the excellent intrinsic characteristics of the detector remain unaffected by the multiplexing that significantly reduces the number of electronics channels.

Η αναβάθμιση του μιονικού συστήματος του πειράματος ATLAS είναι πρωταρχικά απαραίτητη λόγω της υψηλής ακτινοβολίας υποβάθρου που αναμένεται μετά την αναβάθμιση του LHC κατά την περίοδο Phase-1 (2021) και κυρίως στην φωτεινότητα που αναμένεται στον αναβαθμισμένο HL-LHC (2026). Λόγω των παραπάνω, οι ανιχνευτές που καταλαμβάνουν την περιοχή του μιονικού συστήματος που βρίσκεται πιο κοντά στην σημείο αλληλεπίδρασης (IP), Small Wheel (SW), που είναι MDT, CSC & TGC, θα πρέπει να ανταπεξέλθουν σε περιβάλλον φωτεινότητας πολύ μεγαλύτερης από την τιμή για την οποία έχουν σχεδιαστεί. Παράλληλα ο ρυθμός του trigger των μιονίων θα ξεπεράσει το διαθέσιμο εύρος ζώνης εξαιτίας των fake triggers (το 90% προέρχεται κυρίως από σωματίδια υποβάθρου χαμηλής ενέργειας). Το υπάρχον SW θα αντικατασταθεί με ένα νέο σύστημα (NSW) που θα αποτελείται από ανιχνευτές small-strip Thin Gap Chambers (sTGC) και resistive-strip Micromegas (MM) ώστε να διατηρήσει την εξαιρετική του απόδοση και μετά το Run-2. Η αναβάθμιση NSW απαιτεί και οι δύο τεχνολογίες ανιχνευτών του νέου συστήματος να μπορούν να παρέχουν ακριβή ταυτοποίηση των μιονικών τροχιών καθώς και πληροφορίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το trigger. Το σύστημα του NSW θα συνεισφέρει με αυτό τον τρόπο στην ελαχιστοποίηση των fake triggers ανακατασκευάζοντας ακριβή (σ~1mrad) τμήματα των μιονικών τροχιών που επεκτείνονται στο IP online. Ακόμη, η αποδοτική και ακριβής ανακατασκευή των μιονικών τροχιών offline (σ~100μm), ακόμα και στο μέγιστο αναμενόμενο ρυθμό διερχόμενων σωματιδίων (15kHz/(cm2) είναι προαπαιτούμενη. Επιπλέον, εξαιτίας του μέτριας έντασης μαγνητικού πεδίου που αναμένεται στην περιοχή του NSW (0.3T), στοχευμένες μελέτες έχουν αφιερωθεί στην κατανόηση της επίδρασης της δύναμης Lorentz στην απόδοση των ανιχνευτών MM όταν λειτουργούν υπό την επήρεια μαγνητικού πεδίου. Οι μελέτες πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας δοκιμαστικές δέσμες, όπου οι ανιχνευτές λειτουργούσαν μέσα σε μαγνήτες, καθώς και μέσω προσομοιώσεων. Η συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης και των μετρήσεων με τις δοκιμαστικές της δέσμες κατέδειξε ότι η όσο το δυνατόν ακριβέστερη γνώση της έντασης και διεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου είναι απαραίτητη για τη βέλτιστη απόδοση των ανιχνευτών MM στο NSW. Συμπληρωματικά με αυτές τις μελέτες, αναπτύχθηκαν πρότυπες μέθοδοι, για τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιώντας δεδομένα από τους MM. Πέρα από τη μελέτη και την βελτιστοποίηση της απόδοσης των ανιχνευτών MM, εξετάστηκε και η χρήση γεωμετριών στοιχείων ανάγνωσης με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Η υιοθέτηση αυτών των σχημάτων ανάγνωσης των MM μειώνει σημαντικά των αριθμό των επιπέδων ανίχνευσης και των ηλεκτρονικών καναλιών, επιτρέποντας την χρήση των MM σε πειράματα μεγάλης κλίμακας. Η χρήση ενός σχήματος με stereo strips, όπως προβλέπεται για τους MM του NSW, επιτρέπει την δισδιάστατη ανακατασκευή της θέσης ενός διερχόμενου φορτισμένου σωματιδίου. Η μελέτη της αρχής λειτουργίας του σχήματος των stereo strips έγινε χρησιμοποιώντας ένα μεσαίου μεγέθους ανιχνευτή MM με τέσσερα επίπεδα ανίχνευσης, στα πρότυπα του NSW. Επιπλέον, μελετήθηκε η πιθανότητα πολύπλεξης των strip του ανιχνευτή MM σε ένα μικρότερο αριθμό ηλεκτρονικών καναλιών. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι ένα σχήμα πολύπλεξης μπορεί να εφαρμοστεί στους MM, χωρίς να επηρεάζονται τα εξαιρετικά εγγενή χαρακτηριστικά του ανιχνευτή.