Экспериментальное исследование характеристик передней мюонной станции ME1/1 установки CMS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Перелыгин Виктор Владимирович

• Перелыгин Виктор Владимирович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Перелыгин Виктор Владимирович

Оглавление

Введение

В1 Актуальность темы

В2 Цели диссертационной работы

В3 Научная новизна работы

В4 Практическая значимость работы

В5 Личный вклад соискателя

В6 Положения, выносимые на защиту

В7 Апробация работы

В8 Структура и объем диссертации

Глава 1. Большой адронный коллайдер

Глава 2. Детектор CMS

2.1 Мюонная система CMS

2.2 Передняя мюонная станция МЕ1/1

2.2.1 Конструкция камеры МЕ1/1

2.2.2 Особенности конструкции КСК других станций

2.2.3 Электроника считывания

2.3 Выводы к Главе

Глава 3. Исследование характеристик камер МЕ1/1

3.1 Установка для тестирования готовых камер

3.2 Изучение работы камер на космических лучах

3.3 Установка камер МЕ1/1 в детектор CMS

3.3.1 Особенности расположения камер ME1/1

3.3.2 Переходные панели ME 1/1

3.3.3 Загрузка камер в детектор CMS

3.4 Создание газосмесительного стенда

3.5 Измерение шумов электроники считывания ME1/1

3.6 Тестирование камер на космических лучах

3.7 Выводы к Главе

Глава 4. Интеграция камер МЕ1/1 в детектор CMS

4.1 Система высоковольтного питания

4.2 ME1/1 в газовой системе установки CMS

4.3 Подключение системы охлаждения электроники камер МЕ1/1

4.4 Подключение к системе низковольтного питания

4.5 Организация чтения электроники станции ME1/1

4.6 ME1/1 в системе считывания данных

4.7 ME1/1 в системе мониторинга качества данных установки CMS

4.8 Выводы к Главе

Глава 5. МЕ1/1 в тестах детектора CMS на космических лучах

5.1 Визуализация и экспресс-анализ данных

5.2 Основные результаты CRAFT08

5.2.1 Локальные координаты и конструктивные особенности КСК ME1/1

5.2.2 Пространственное разрешение ME1/1

5.2.2.1 Методика вычисления координатного разрешения субкамеры

5.2.2.2 Исследование влияния разворота анодных проволок на пространственное разрешение субкамеры

5.3 Выводы к Главе

Глава 6. Характеристики мюонной станции МЕ1/1 как составной части мюонной системы детектора CMS в начальный период набора данных в

протон-протонных столкновениях

6.1 КСК в протон-протонных столкновениях

6.2 Выравнивание величины газового усиления в КСК

6.3 Выводы к Главе

Глава 7. Модернизация мюонной станции ME1/1 в период первой остановки БАК в 2013-14гг

7.1 Концепция модернизации ME1/1 и ее реализация

7.2 Характеристики камер модернизированной станции ME1/1 и других КСК в наборе данных CMS в 2015-18гг

7.3 Выводы к Главе

Глава 8. Изучение эффектов радиационного старения КСК CMS и осбенностей работы камер в условиях HL-LHC

8.1 GIF++ - установка для исследования радиационной стойкости детекторов

8.2 Предшествующие исследования эффекта радиационного старения на различных прототипах КСК

8.3 Методика исследования эффекта старения КСК и основные результаты

8.4 Выводы к Главе

Заключение

Список цитируемой литературы

Введение

Настоящая работа обобщает результаты многолетних исследований, проведённых в Лаборатории физики высоких энергий имени В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна), и в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, Женева).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование характеристик передней мюонной станции ME1/1 установки CMS»

В1 Актуальность темы

Компактный мюонный соленоид (СМS) - один из двух крупнейших экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) [1]. СМS является универсальным детектором элементарных частиц и имеет "традиционную" для такого типа установок структуру: внутренний трекер - калориметры -мюонные детекторы. Для идентификации частиц и измерения их поперечных импульсов в мюонной части используются детекторы трех типов: дрейфовые трубки, резистивные плоские камеры и катодно-стриповые камеры. Многопроволочная пропорциональная камера с катодным считыванием (КСК), разработанная группой ОИЯИ, была утверждена в качестве базового координатного детектора для торцевой мюонной системы СМS [2,3,4,5]. Суммарно на установке имеется 540 камер семи различных конструкций, которые объединены в девять кольцевых станций в каждой из двух торцевых частей CMS. Мюонная станция ME1/1, включающая в себя 72 КСК, расположена наиболее близко к точке взаимодействия пучков и поэтому играет ключевую роль в эксперименте, обеспечивая согласование треков между мюонной системой и внутренним трекером. Станция располагается в магнитном соленоиде CMS перед железным ярмом торцевой части установки и поэтому работает в сильном аксиальном магнитном поле. Высокое поле

соленоида (В=4 Тл) обеспечивает хорошее импульсное разрешение детектора. Для достижения необходимой точности измерения поперечного импульса мюона, ME1/1 должна иметь пространственное разрешение не хуже 75 мкм [5]. Кроме этого, для эффективной идентификации момента взаимодействия все КСК должны вырабатывать триггерный сигнал в пределах временного промежутка в 25 нс. В зоне ME 1/1 расчетная величина фона вторичных частиц может достигать 1 кГц/см2 [3]. Общая площадь чувствительной зоны станции ME1/1 равна 222 м2, число каналов регистрации по катодам и анодам - 48384 и 20736 соответственно. Создание мюонной станции ME 1/1 с требуемыми параметрами является значительным вкладом в методику газовых координатных детекторов.

В2 Цели диссертационной работы

1. Ввод в эксплуатацию мюонной станции ME1/1 в составе торцевой мюонной системы эксперимента CMS.

2. Исследование характеристик катодно-стриповых камер ME1/1 в тестах на космических лучах и в период набора данных в протон-протонных столкновениях.

3. Организация специализированного участка для проведения работ по модернизации станции ME1/1.

4. Модернизация мюонной станции ME1/1 в период остановки БАК в 20132014 гг. в целях улучшения ее пространственного разрешения и увеличения аксептанса торцевой мюонной системы.

5. Исследование характеристик катодно-стриповых камер после модернизации станции ME1/1 в сеансах набора данных CMS в протон-протонных столкновениях.

6. Исследование эффектов радиационного старения в серийной КСК - ME1/1 на установке GIF++ (CERN) [6,7,8].

В3 Научная новизна работы

В диссертационной работе впервые приведены результаты экспериментальных исследований характеристик мюонной станции ME1/1 детектора CMS, полученные в сеансах набора данных на космических лучах и в протон-протонных столкновениях на БАК при рекордной энергии пучков и высокой светимости в точке взаимодействия.

В результате проведенных методических исследований влияния магнитного поля на пространственное разрешение камеры было установлено, что угол наклона анодных проволок относительно стрипового массива а=29° при конструировании КСК ME1/1 был выбран оптимально. В период остановки БАК была проведена модернизация накамерной электроники для 72 камер станции ME1/1, что позволило устранить неопределенности в трековосстановлении и выработке триггера в области псевдобыстрот |п|=2,1^2,4. Было показано, что станция ME1/1 обладает самым высоким пространственным разрешением по сравнению с остальными мюонными станциями, при этом пространственное разрешение всех станций удовлетворяет требованиям Технического проекта мюонной системы [3]. Представленное в диссертации исследование эффектов радиационного старения КСК, является пионерской работой в этой области, так как объектом изучения являются полномасштабные серийные КСК, сервисные системы и системы сбора данных которые работают в режиме, соответствующем условиям работы на установке CMS.

В4 Практическая значимость работы

• 72 камеры ME1/1, прошедшие тестирование после сборки в ОИЯИ и последующей транспортировки в ЦЕРН, были смонтированы в детекторе

CMS и интегрированы с системами низковольтного и высоковольтного питания и системой считывания. Был осуществлен ввод в эксплуатацию станции ME1/1 как составной части торцевой мюонной системы.

• Выполнены исследования характеристик камер ME 1/1 на космических лучах, в том числе в сеансе набора данных установки CMS с магнитным полем 3,8 Тл (CRAFT08) [9]:

- эффективности регистрации частиц в зависимости от напряжения катод-анод;

- зависимости амплитуды заряда кластера в камере от напряжения катод-анод;

- влияния угла наклона анодных проволок относительно стрипового массива на пространственное разрешение камеры.

- величины пространственного разрешения.

• По результатам тестов был определен оптимальный режим работы камер с учетом обеспечения высокого пространственного разрешения с одной стороны и минимизации эффектов радиационного старения с другой.

• Выполнены исследования характеристик камер ME1/1 в сеансах набора данных CMS в протон-протонных столкновениях:

- эффективности восстановления трек-сегмента и триггерного сегмента;

- величины пространственного разрешения КСК;

• Создан и введен в эксплуатацию участок для проведения модернизации камер станции ME1/1 в наземной части эксперимента CMS;

• Проведена модернизация мюонной станции ME1/1 в период остановки БАК в 2013-2014 гг.

- 72 КСК были оснащены новой, быстродействующей катодной электроникой DCFEB, при этом число блоков DCFEB на камере доведено до 7, что улучшило пространственное разрешение и эффективность выработки триггера в области ME1/1a (2,1 < |n| < 2,4);

- заменены платы-мезонины на блоках анодной электроники ALCT для улучшения быстродействия выработки анодного триггера;

- заменены платы питания накамерной электроники LVDB на более мощные и имеющие большее число каналов LVDB7;

- проведены тесты КСК, оснащенных новой электроникой, на космических лучах и долговременные тесты на отказ электроники;

- разработаны, изготовлены и установлены новые переходные панели для подключения оптических и электрических кабелей камер ME1/1 к системе считывания данных КСК в торцевой части установки CMS;

- установлены новые блоки в стандарте VME: ODMB и OTMB, производящие чтение данных с КСК и выработку триггера в периферийных крейтах;

- камеры установлены в детектор CMS и проведено их тестирование;

• Модернизированная станция ME1/1 была введена в эксплуатацию.

• Проведены исследования характеристик КСК станций ME в сеансах набора данных в протон-протонных столкновениях.

• На установке GIF++ (ЦЕРН) была создана экспериментальная инфраструктура для облучения и тестирования КСК и проведены исследования эффектов радиационного старения камер.

В5 Личный вклад соискателя

Автор принял непосредственное участие в вводе в эксплуатацию мюонной станции ME1/1 установки CMS. При участии диссертанта были выполнены методические исследования камер ME1/1 в сеансе набора данных установки CMS на космических лучах с магнитным полем 3,8 Тл (CRAFT08) и в сеансах набора данных в протон-протонных столкновениях в 2010-2012 гг. и в 2015-2018 гг.

На основе анализа экспериментальных данных автором была обоснована целесообразность снижения рабочего напряжения в камерах ME1/1 на 100 В, что является важным фактором увеличения срока эффективной эксплуатации мюонной станции.

Под руководством диссертанта был создан участок для модернизации камер станции ME1/1 в наземной части эксперимента CMS, где при его непосредственном участии в период остановки БАК в 2013-2014 гг. были проведены все этапы переоборудования и тестирования 72 камер мюонной станции ME1/1.

По предложению и под руководством автора на установке GIF++ (ЦЕРН) был проведен цикл исследований эффектов радиационного старения ME1/1 -серийной КСК, используемой в эксперименте CMS.

В6 Положения, выносимые на защиту

1. Ввод в эксплуатацию мюонной станции ME1/1 установки CMS, проведение тестов и определение рабочего диапазона величины высокого напряжения на камерах.

2. Экспериментальные результаты исследования характеристик КСК, полученные в сеансах набора данных на космических лучах и в протон-протонных столкновениях на установке CMS, на основании анализа которых был выполнен ряд методических задач:

- проверка соответствия угла наклона анодных проволок камер ME1/1 величине магнитного поля CMS;

- обоснование допустимости понижения рабочего напряжения в камерах станции ME1/1 на 100 В.

3. Организация участка для модернизации камер станции ME1/1 в наземной части эксперимента CMS и проведение переоборудования и тестирования 72 камер мюонной станции ME1/1.

4.Экспериментальные результаты методических исследований переоборудованной станции ME1/1 в протон-протонных столкновениях в период набора данных CMS после модернизации.

5. Результаты исследования эффектов радиационного старения в КСК ME1/1 на установке GIF++ (ЦЕРН).

В7 Апробация работы

Основные результаты диссертации изложены в восьми опубликованных работах, список которых приведен в конце диссертации. Результаты исследований неоднократно докладывались автором и в соавторстве в составе группы на семинарах в ЛФВЭ ОИЯИ, на рабочих совещаниях коллаборации СМS в ЦЕРН, а также на следующих международных конференциях:

1. 12th Annual RDMS СМS Collaboration Meeting, Minsk, Belarus, September 15-18, 2008.

2. 13th Annual RDMS СМS Collaboration Meeting, JINR, Dubna, Russia, August 10-12, 2009.

3. CMS Run Coordination Workshop, CIEMAT, Madrid, Spain, 02 - 04 November 2011.

4. 17th Annual RDMS СМS Collaboration Meeting, JINR, Dubna, Russia, August 07-08, 2014.

5. Международная Сессия-конференции Секции ядерной физики ОФН РАН в г. Дубне 12 - 15 апреля 2016 г.

6. 3rd International Conference on Particle Physics and Astrophysics (ICPPA-2017), 2-5 October 2017, Moscow.

7. 20th Annual RDMS CMS Collaboration Conference, September 12 - 15, 2018 in Tashkent and Samarkand, Uzbekistan.

8. The Physics of the Dimuons at the LHC Workshop, 23-24 June 2022, JINR, Dubna.

9. Aging 2023: International Conference on Detector Stability and Aging Phenomena in Gaseous Detectors, 6-10 Nov 2023, CERN, Geneva (Switzerland).

10. Научная сессия секции ядерной физики ОФН РАН. 1 - 5 апреля 2024 г., (г. Дубна, ОИЯИ).

11. The 7th International Conference on Particle Physics and Astrophysics

(ICPPA-2024). Moscow, Russia, October 22 - 25, 2024.

В8 Структура и объем диссертации

Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь работ, в том числе в журналах «Письма в ЭЧАЯ», «ЭЧАЯ», «Physics of Particles and Nuclei», «Journal of Instrumentation», Технический проект фазы-2 модернизации установки CMS и препринт коллаборации CMS.

Соответствие диссертации паспорту специальности. В диссертационной работе присутствуют результаты в следующих областях, соответствующих направлениям паспорта научной специальности 1:

- разработка новых принципов и методов измерений физических величин, основанных на современных достижениях в различных областях физики и позволяющих существенно увеличить точность, чувствительность и быстродействие измерений;

- разработка и создание экспериментальных установок для проведения экспериментальных исследований в различных областях физики.

Содержание работы. Диссертация объемом 113 страниц состоит из введения, восьми глав и заключения. Содержит 5 таблиц, 72 рисунка и список цитируемой литературы из 58 ссылок.

Во введении рассмотрена актуальность исследований, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе дано краткое описание Большого Адронного Коллайдера и представлены его основные характеристики.

Во второй главе дано описание экспериментального комплекса «Компактный мюонный соленоид» (CMS) и детекторов торцевой мюонной

1 Паспорт научной специальности 1.3.2 согласно приказу Минобрнауки России от 24 февраля 2021 г. № 118 http://www.xn--80aaa4a0ajicdpl.xn--p1ai/nomenklatura.

системы установки. Представлены основные механические параметры камеры ME1/1 и накамерная электроника считывания.

В третьей главе описывается последовательность проведения тестов камер ME1/1 на космических лучах, приводятся результаты тестов. Описано конструктивное решение, положенное в основу концепции проекта торцевой части детектора, в результате которого камеры ME1/1, в отличие от других КСК, не закреплены на железном диске первой мюонной станции YN1, а фиксируются на специальном алюминиевом диске толщиной 80мм, установленном на несущей трубе адронного калориметра HE. В связи с этим станция ME1/1 не подвержена влиянию деформации, возникающей в возвратном ярме магнита CMS при включенном магнитном поле. Описана процедура установки камер в детектор CMS. Представлены методика тестирования установленных камер. Приведены рабочие характеристики камер, такие как эффективность регистрации космического мюона и шум в зависимости от величины высокого напряжения, гистограмма развития заряда катодного кластера во времени и суммарный заряд кластера в зависимости от напряжения на камере. Для камер ME1/1, установленных на несущий диск первой мюонной станции CMS, представлена радиальная гистограмма счета анодного триггера при наборе данных на космических мюонах. Дано объяснение причин угловой асимметрии данного распределения.

Четвертая глава посвящена интеграции ME1/1 в детектор CMS. Представлены основные характеристики и принципы управления системами высоковольтного и низковольтного питания, описаны система охлаждения электроники камер и система подачи рабочей газовой смеси. Дано описание системы считывания и передачи данных с КСК в глобальную систему сбора данных CMS и механизма выработки триггера. Описаны принципы организации считывания данных с камер ME1/1, связанные с особенностью их расположения на разных сторонах несущего диска. Представлены пользовательские интерфейс-система мониторинга качества данных (DQM) и DCS- система контроля параметров КСК.

Пятая глава посвящена исследованию характеристик КСК мюонной станции ME1/1 в тестах установки CMS с магнитным полем на космических лучах CRAFT08. В главе описывается методика, разработанная для исследования пространственного разрешения КСК. По результатам исследований показано, что угол наклона анодных проволок для проекта КСК ME1/1, равный а=29°, был выбран оптимально. Дано обоснование для понижения рабочего напряжения на камерах ME1/1 на 100 В.

Шестая глава посвящена изучению характеристик мюонной станции МЕ1/1 в начальный период набора данных в протон-протонных столкновениях (2010 - 2011 гг.). Дано объяснение причины троекратного превышения счета в каналах катодной электроники ME1/1a в сравнении с ME1/1b. Показано, что временные параметры системы выработки триггера КСК таковы, что более 99% событий находятся в 25нс временном окне BX0, соответствующем временной отметке прохождения мюонна через камеру. Гистограмма разности координат тригерного сегмента и мюонного трека в субкамере ME1/1b показывает высокую пространственную точность (RMS=0,22 см). Представлены исследования эффективности восстановления трек-сегмента и триггерного сегмента. Обоснована необходимость выравнивания величины газового усиления в зазорах катод-анод при помощи коррекции величины высоковольтного напряжения питания КСК. Сравниваются величины разброса газового усиления в относительных единицах до и после проведения корректировки.

Седьмая глава посвящена модернизации мюонной станции ME1/1 в период первой остановки БАК в 2013-14 гг. и изучению характеристик камер обновленной станции в период второго набора данных установки CMS в 201518 гг. Представлена концепция модернизации ME1/1 и поэтапный план ее выполнения, включая создание лабораторного участка, последовательность проведения операций с камерами и тестов. Приведены величины пространственного разрешения мюонных станций, полученные в наборе

данных CMS на рр столкновениях в 2015-18 гг. Показано, что в результате модернизации для ME1/1a пространственное разрешение улучшилось на ~ 24%.

В восьмой главе представлено исследование эффектов радиационного старения КСК и влияния фоновых загрузок на пространственное разрешение КСК. Обоснована мотивация данных исследований. Представлены технические возможности установки GIF++, на которой проводились исследования полномасштабных серийных камер ME1/1 и ME2/1. Показано, что деградация пространственного разрешения КСК с ростом фоновых загрузок носит линейный характер. Обсуждается проблема минимизации использования парниковых газов в научных экспериментах. Утверждается, что эффекта радиационного старения камер не наблюдается, что, в частности, демонстрирует отсутствие ухудшения пространственного разрешения камеры ME1/1 вплоть до величины накопленного заряда на единицу длины анодной проволоки в четыре раза превосходящей заряд, который выделится в камере в течение всего срока работы HL-LHC.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и приведен список публикаций, положенных в основу диссертации. В конце приводится список цитируемой литературы.

Глава 1. Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер (БАК, англ. «Large Hadron Collider», LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для ускорения протонов и тяжёлых ионов [10]. Коллайдер построен в Европейском центре ядерных исследований (CERN), расположенном на границе Швейцарии и Франции, вблизи г. Женевы. БАК является крупнейшей в мире экспериментальной установкой, в строительстве которой, а также в проведении исследовательских и опытно-конструкторских работ участвовали более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран мира. БАК является уникальным инструментом для изучения фундаментальных свойств материи. Этот ускоритель определил развитие физики высоких энергий на долгие годы вперед. Он находится на глубине около 100 м под землей и имеет протяженность 26,7 км. Его 1232 дипольных сверхпроводящих магнитов работают при температуре 1,9 К (ниже температуры открытого космоса) и создают поле 8,3 Тл. Это самая большая "сверхпроводящая" установка в мире. БАК ускоряет пучки в противоположных направлениях при этом Пучком 1 называется пучок, циркулирующий по часовой стрелке, а Пучком 2 - против. Сведение пучков происходит в Точках взаимодействия (IP), где расположены четыре основные экспериментальные установки: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb (Рисунок 1.1 [10, стр. 8]). БАК начал работать в режиме набора физических данных с ноября 2009 г. На протяжении ряда лет БАК проходил несколько этапов настройки и модернизации, по мере завершения которых параметры ускорителя достигли проектных величин, представленных в Таблице 1.1, (перевод из [11] таблицы 1.1, стр. 2).

В своей финальной проектной стадии БАК будет сталкивать протоны с энергией в системе центра масс Vs = 14 ТэВ. В каждом из двух колец ускорителя может находиться по 2808 протонных сгустков с числом протонов

1,15x1с11. Интервал следования сгустков составляет 25 нс. Это означает, что частота столкновения сгустков в БАК достигает 40 МГц.

Рисунок. 1.1. Схема расположения основных экспериментальных установок на БАК [10].

Ускорительный комплекс, обеспечивающий инжекцию пучков в БАК представлен на Рисунке 1.2 [10, стр. 138, рис. 12.1]. Он включает в себя линейные ускорители LINAC, бустер протонного синхротрона PSB (1,4 ГэВ), протонный синхротрон PS (25 ГэВ) и протонный суперсинхротрон SPS (450 ГэВ). По двум транспортным каналам длиной 2,5 км пучки из SPS поступают в туннель БАК, где протоны ускоряются до энергии 7 ТэВ. БАК может работать как фабрика Z и W-бозонов, b- кварк фабрика, t- кварк фабрика, и, возможно, как фабрика бозонов Хиггса и супер-симметричных частиц.

Таблица 1.1. Основные параметры БАК [11]

Энергия протонов 7 ТэВ

Поле диполя (7 ТэВ) 8,33 Тл

Проектная Светимость 1034 -2 -1 см2 сек 1

Интервал следования сгустков 25 нс

Число сгустков в кольце 2808

Число протонов в сгустке 1,15х1011

Рисунок 1.2. Схема ускорительного комплекса ЦЕРН [10].

На Рисунке 1.3 представлена временная шкала работы БАК. Run 1, 2 и т. д. соответствуют периодам набора данных, а LS 1, 2 и т. д. - периодам остановки ускорителя для его модернизации в целях увеличения светимости и повышения энергии пучков. Также в периоды остановки ускорителя проводились (и запланированы) работы по модернизации детекторов CMS, в частности, его мюонной системы.

В будущем, в эпоху HL-LHC, мгновенная светимость в точке взаимодействия составит предположительно 5 ^ 7,5 х1034 см-2с-1, при этом интегральная светимость достигнет величины 3000 ^ 4000 фб-1. Повышение светимости в результате будущей модернизации БАК приведет к

значительному росту радиационного фона в установках. В связи с этим важной задачей является исследование эффектов радиационного старения в детекторах частиц.

дцц LHC/HL-LHC Plan Ш

LHC HL-LHC -Ik.

1 Run 1 Яип 2 Рип 3 Run 4-5...

HL-LHC TECHNICAL EQUIPMENT:

CONSTRUCTION

ЯПШ1 ввя 13.6 Tev впа ^heb 13.6-14 TeV

ю iev _ .. splice consolidation 7 TeV О lev button collimators cryolimit regions Diodes Consolidation LIU Installation Civil Eng. P1-P5 . pilot beam HL-LHC inner triplet radiation limit installation

k 4 _^

e-iiiiiiiikzhí : -

experiment beam pipes nominal Lumi 75% nominal Lumi j 2 X nominal Lumi ^ ATLAS - CMS | upgrade phase 1 AIICF-IHCh | 2 x nominal Lumi upgrade ATLAS - CMS HL upgrade 5 to 7.5 X nominal Lumi ^

integrated I luminosity I

INSTALLATION & COMM.

Рисунок 1.3. Временная шкала работы БАК.

ГЛАВА 2. Детектор CMS

Детектор CMS [1, стр. 3] (в переводе с английского «Компактный мюонный соленоид») - многоцелевая установка, предназначенная для изучения pp и PbPb - взаимодействий с целью проведения комплексных исследований в области физики элементарных частиц (Рисунок 2.1). Основа CMS -сверхпроводящий соленоидальный магнит, имеющий диаметр 6,3 метра и длину 12,5 метров. Это самый мощный магнит такого рода. Будучи охлажден до температуры -268,5° С, он создает магнитное поле с индукцией 4 Тл.

Very-forward Calorimeter

Hadror Calorimeter

Electromagnetic Calorimeter

Superconducting Solenoid

Silicon Tracker Pixel Detector

Preshower

Z

Y 1

X

Muon Defectors

Compact Muon Solenoid

Рисунок 2.1. Детектор CMS [1].

Вес установки CMS 12500 тонн. Это самый массивный эксперимент на БАК. Он весит почти в два раза больше, чем Эйфелева башня, но, имея диаметр 14,6 метров и длину 21,6 метра, занимает в 400 раз меньше места.

Важнейшим направлением в физической программе CMS является поиск бозона Хиггса, об открытии которого было объявлено в 2012 г. и изучение

хиггсовского механизма нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение теории «суперсимметрии», предполагающей, что элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Кроме того, физическая программа CMS включает в себя целый комплекс исследований, направленных на изучение предсказаний Стандартной модели в новой области энергии, изучение свойств КХД при ранее недоступных значениях переданного 4х-импульса и доли переданной энергии, изучение закономерностей взаимодействия ядер при высоких энергиях, поиск кварк-глюонной плазмы и многое другое.

Установка CMS состоит из трех групп детекторов - центральной детекторной части (barrel) торцевой (endcap) и передних калориметров HF. Позднее к проекту CMS присоединились не показанные на рисунке калориметры сверхмалых углов - CASTOR и ZDC (последний находится на расстоянии 150 м от IP - точки взаимодействия). Начиная от IP последовательно располагаются следующие подсистемы: внутренний трекер (Tracker), электромагнитный (ECAL) и адронный (HCAL) калориметры, а также детекторы мюонной системы, находящиеся на внешней части установки.

2.1 Мюонная система CMS

Детектирование мюонов является эффективным инструментом для распознавания сигнатур физических процессов с высоким уровнем фона. Система мюонных детекторов в эксперименте CMS [3] имеет три основные функции: выработка мюонного триггера, идентификация мюонов и измерение их поперечного импульса. Хорошее разрешение мюонного импульса обеспечивается благодаря высокому пространственному разрешению координатных детекторов и высокому магнитному полю сверхпроводящего соленоидального магнита. Мюонная система позволяет регистрировать с

высоким разрешением по массе бозон Хиггса в так называемой «золотой» моде распада, имеющей четыре мюона в конечном состоянии: H ^ ZZ* ^ 4ц [12]. Она представляет из себя внешнюю систему координатных детекторов больших площадей, состоящую из трех основных частей - центральной (barrel) и пары торцевых (endcaps). Мюонная система состоит из плоскостей детектирования (субкамер) с общей чувствительной площадью около 25000 м2 и имеет приблизительно 1 млн. каналов считывания данных, поэтому для ее создания были выбраны производственные технологии, позволившие создать недорогие, прочные механически и надежные в работе мюонные камеры.

Мюонная система CMS предназначена для измерения импульса и заряда мюонов в большом кинематическом диапазоне в столкновениях на БАК. Ниже перечислены отдельные требования к импульсному разрешению детектора, сформулированные в Техническом проекте мюонной системы [3]. Для мюонной системы 5рт/рт = 9 ^ 15% при импульсе 10 ГэВ/c и 19 ^ 38% при импульсе 1 ТэВ/c. Для глобального импульсного разрешения (после согласования с Центральным трекером): 5pT/pT =1^1,5% при импульсе 10 ГэВ/c и 6^17% при импульсе 1 ТэВ/c. Эти требования были определены в предположении о магнитном поле с индукцией 4 Тл. Позже было решено эксплуатировать магнит при 3,8 Тл, что привело к ухудшению достижимого разрешения по импульсу на -5%.

Существует много факторов, которые ограничивают способность мюонной системы измерять импульс частиц с высокой точностью:

- многократное рассеяние в калориметрах и в толстых стальных пластинах возвратного ярма магнита;

- собственная разрешающая способность детекторов;

- потеря энергии частицей в среде, например, в результате тормозного излучения;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Перелыгин Виктор Владимирович, 2026 год

Список цитируемой литературы

1. S. Chatrchyan et al., The CMS experiment at the CERN LHC, 2008 JINST 3 S08004.

2. M. Markytan et al., The Compact Muon solenoid. Letter of Intent. CERN/LHCC 92-3 LHCC/I 1, 1 October 1992.

3. G. L. Bayatian et al. The CMS Muon Technical Design Report, CERN/LHC 97-32, CMS TDR 3; ISBN 92-9083-121-3.

4. Erchov Yu. V. et al. Cathode Strip Chamber for CMS ME1/1 Endcap Muon Station. Письма в ЭЧАЯ, 2006. Т.3, №3(132). С.73-80.

5. G. L. Bayatian et al., The Compact Muon Solenoid Technical Proposal, CERN/LHCC 94-38, LHCC/P1; ISBN 92-9083-068-9.

6. R. Guida, GIF++: The new CERN Irradiation Facility to Test Large-Area Detectors for the HL-LHC Program. 38th International Conference on High Energy Physics 3-10 August 2016 Chicago, USA. PoS (ICHEP2016) 260. pp. 1-8.

7. D. Pfeiffer et al., The radiation field in the Gamma Irradiation Facility GIF++ at CERN, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 866 (2017) pp. 91-103.

8. M. R. Jäkel et al., CERN GIF++: A new irradiation facility to test large-area particle detectors for the high-luminosity LHC program. PoS (TIPP2014) 102, pp.1-8.

9. S. Chatrchyan et al., Commissioning of the CMS experimentand and the cosmic run at four tasla. JINST 5 (2010) T03001.

10. L. Evans and P. Bryant, LHC Machine, JINST 3 (2008) S08001.

11. G. L. Bayatian et al. CMS physics techical design report. Volimel: detector performance and software. CERN/LHCC 20006-001. CMS TDR 8.1 2 Febryary 2006. ISBN 978-92-9083-268-3.

12. S. Chatrchyan et al., Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716. (2012). P. 30-61.

13. A. Hayrapetyan, et al., Muon identification using multivariate techniques in the CMS experiment in proton-proton collisions at Vs = 13 TeV. JINST 19 (2024) P02031, pp. 1-41.

14. L. S. Barabash et al. A study of spatial resolution of a large proportional chamber using cathode information readout, JINR, P13-81-554, Dubna 1981.

15. С. А. Мовчан, П. В. Моисенз, Методика вычисления угла наклона анодной проволоки первой мюонной станции (МЕ1/1) установки Компактный мюонный соленоид (CMS), Письма в ЭЧАЯ, 2001, №4[106] С.82-92.

16. I. A. Golutvin et al., Increasing of muon track reconstruction efficiency in ME1/1 Dubna prototype for the CMS/LHC, Краткие сообщения ОИЯИ №1[93]-99 C.48-55.

17. И. А. Голутвин и др., Исследование радиационной стойкости интегральной схемы АНОД, Сообщение ОИЯИ, Р13-2001-152, Дубна, 2001.

18. Yu. V. Erchov et al., P3-The full-scale prototype of the ME1/1 CSC. Сообщение ОИЯИ, E13-99-296, Дубна, 1999.

19. Yu. V. Erchov et al., P4-The full-scale prototype of the ME1/1 CSC. Сообщение ОИЯИ, E13-2000-26, Дубна, 2000.

20. И. А. Голутвин и др., Временное разрешение камер с сегментированным катодом мюонной станции МЕ1/1 компактного мюонного соленоида и идентификация момента взаимодействия пучков коллайдера, Письма в ЭЧАЯ, 2001. №4(107). С.54-62.

21. I. A. Golutvin et al., Study of anode self-trigger ability of ME1/1 CMS Endcap cathode strip chamber, Письма в ЭЧАЯ. 2007. Т.4, №3(139). С.428-433.

22. I. I. Belotelov et al., Electromagnetic Secondaries and Punch-Through Effects in the CMS ME1/1, Письма в ЭЧАЯ. 2007. T.4, №4(140). С.577-587.

23. Y. Erchov et al. ME1/1 Engineering Design Review. 1999-035, CMS Document, pp.1-118, CERN, May 1999.

24. Y. Erchov et al. Proceeding of ME1/1 Engineering Design Review. 1999-047, CMS Document, CERN, June 21-23, 1999.

25.Yu. V. Erchov et al., ME1/1 Cathode Strip Chambers. CMS NOTE-2008/026, рр. 1-9.

https : //cms .cern.ch/iCMS/j sp/iCMS.j sp?mode=single&part=publications.

26.M. Huhtinen, Optimization of the CMS forward shielding. CMS-NOTE-2000/068, CERN, 2000.

27. A. Sannikov, A. Uzunian, Event spectra from neutron background in the ME1/1 chamber on the CMS CMS-NOTE-2001/018, CERN, 2001.

28. С. А. Мовчан и П. В. Моисенз. Методика вычисления угла наклона анодной проволоки первой мюонной станции (ME 1/1) установки компактный мюонный соленоид (CMS). Письма в ЭЧАЯ. 2001. №4[106]. C.82-92

29. К. А. Зубов и др., Математическое обеспечение многопроволочной пропорциональной камеры с катодным считыванием информации. Сообщение ОИЯИ, Р10-99-118, Дубна, 1999.

30. S. A. Movchan, K.P. Moissenz and P. V. Moissenz JINR Communic., Р10-2000-188, JINR, 2000.

31. I. A. Golutvin et al., Robust estimates of track parameters and spatial resolution for CMS muon chambers, Computer Phys. Communic., vol.126 (2000), p.72-76.

32. I. Golutvin et al., Cathode strip chamber performance of the CMS ME1/1 muon station. Proc. of the 7th Int. Conf. on Advanced technology and Part. Phys. (ICATPP-7), Como, Italy, 15 - 19 Oct 2001, World Scientific, 2002, pp.347-351.

33. I.A. Golutvin et al., ME1/1 Cathode Strip Chambers for CMS Experiment. Письма в ЭЧАЯ. 2009. Т.6, №4(153), С.566-571.

34. R. Breedon et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 471 (2001) 340-347.

35. V. Perelygin. ME1/1 Installation. CMS WEEK 23.06 - 27.06.2014. https://indico.cern.ch/event/326180/contributions/1711717/attachments/633231 /871522/ME1-1 Installation V Perelygin 24-06-2014.pdf.

36. R. Breedon et al., Performance et al., Testing of the CMS Cathode Strip Chambers. CMS NOTE -2009/020. C.1-24.

37. M. Bosteels et al., CMS Gas System Proposal. CMS IN 1999/018, CERN,1999.

38. R. Breedon et al., CSC Strip, Wire, Chamber, and Electronics Conventions. CMS IN-2007/024.

39. J. Gilmore. Very Forward Muon Trigger and Data Acquisition Electronics for CMS: Design and Radiation Testing. TWEPP 2012 Topical Workshop on Electronics for Particle Physics. 17 - 21 Sept. 2012, Oxford University, UK. https : //indico.cern.ch/event/170595/timetable/?view=standard.

40. Landau L., On the energy loss of fast particles by ionization, J. Phys. (USSR) 8 (1944), P. 201-205.

41. I. A. Golutvin, et al., The Spatial Resolution of the CMS ME1/1 Muon Station Cathode Strip Chambers with CRAFT08 Data. Письма в ЭЧАЯ. 2010. Т.7, №5(161). С.581-586.

42. Gatti E. et al., Optimum geometry for strip cathodes or grids in MWPC for avalanche localization along the anode wires, NIM 163 (1979), P.83-92.

43. V.V. Perelygin. Performance of the CMS ME1/1 Muon Station, ISSN 10637796, Physics of Particles and Nuclei, 2017, Vol. 48, No. 5, pp. 789-792. © Pleiades Publishing, Ltd., 2017. DOI: 10.1134/S1063779617050331.

44. R. Breedon et al. Efficiency of Finding Muon Track Trigger Primitives in CMS Cathode Strip Chambers, CMS NOTE 2007/031.

https : //cms .cern.ch/iCMS/j sp/iCMS.j sp?mode=single&block=publications.

45. S. Chatrchyan et al. The performance of the CMS muon detector in protonproton collisions at Vs = 7 TeV at the LHC, CMS-MUO-11-001, CERN-PH-EP-2013-072, JINST 8 (2013) P11002. pp. 1-102. DOI: 10.1088/1748-0221/8/11/P11002.

46. S. Chatrchyan et al. Performance of CMS muon reconstruction in pp collision events at Vs = 7 TeV. JINST 7 (2012) P10002. pp. 1-84.

47. A. M. Sirunyan et al. The Phase-2 Upgrade of the CMS Muon Detectors Technical Design Report, CERN-LHCC-2017-012, CMS-TDR-016, 12 September 2017. ISBN: 978-92-9083-457-1.

48. G. L. Bayatian et al. Technical proposal for the upgrade of the CMS detector through 2020, CERN-LHCC-2011-006; CMS-UG-TP-1; ISBN 978-92-9083362-8.

49. V. Perelygin. Workflow of ME1/1 Refurbishing on the Surface. 15 - 16 Nov. 2012 CERN Workshop CSC Planning for LS1. https://indico.cern.ch/event/216092/# 10-workflow-of-me 11 -refurbishi.

50. A. Hayrapetyan et al. Development of the CMS detector for the CERN LHC Run 3. 2024 JINST 19 P05064.

51. T. Ferguson et al. Aging studies of CMS muon chamber prototypes. NIMA 488 (2002) pp. 240-257.

52. S. Agosteo et al. A facility for the test of large area muon chambers at high rate NIMA 452 (2000) pp. 94-104.

53. Acosta D. et al. Aging Tests of Full-Scale CMS Muon Cathode Strip Chambers. Nucl. Instr. Meth. A. 2003. V. 515. pp. 226-233.

54. M. E. Buzoveria et al. Investigation of the cathode plane radiation damage in the prototypes of multiwire proportional chamber from the CMS experiment. Phys. Atom. Nucl.82(9), pp.1252-1262 (2019).

55. E. Barberis et al. Longevity studies of CSC prototypes operating with Ar+CO2 gas mixture and different fractions of CF4. Eur. Phys. J. Plus 139, 166, (2024).

56. V. Perelygin. CMS CSC longevity studies at GIF++ setup. 3rd International Conference on Detector Stability and Aging Phenomena in Gaseous Detectors 6 -10 Nov. 2023, CERN.

https: //indico.cern.ch/event/1237829/timetable/?view=standard.

57. B. В. Пальчик и В. В. Перелыгин. «Мюонная система установки CMS и особенности ее работы в условиях HL-LHC». Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра 2024. Т. 55, вып. 1. C. 180-190.

58. C. Bravo. Upgrades to the CSC Cathode Strip Chamber Electronics for HL-LHC. CMS CR -2016/356. pp. 1-7.

https://cms.cern.ch/iCMS/j sp/iCMS.j sp?mode=single&part=publications