Efficiency measurements of GEM GE1/1 chambers in the upgraded CMS Endcap Muon System using 2023 collision data at $\sqrt{s}=13.6$ TeV

Technische Zusammenfassung: Effizienzmessungen der GEM GE1/1 Kammern im aufgerüsteten CMS-Endcap-Muonensystem

Problem und Kontext
Das Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) wird derzeit aufgerüstet, um die Leistung unter den Bedingungen des High-Luminosity LHC (HL-LHC) aufrechtzuerhalten, die durch eine erhöhte instantane Luminosität und signifikanten Pile-up gekennzeichnet sind. Die Vorwärtsregion des Muonensystems (Pseudorapidität $1.55 < |\eta| < 2.4$) ist hohen Teilchenflüssen und Hintergrundraten ausgesetzt, welche die Muon-Rekonstruktion und die Trigger-Raten erschweren. Um dies zu adressieren, wurde während des Long Shutdown 2 (2018–2022) die GE1/1 Gas Electron Multiplier (GEM) Detektorenstation installiert, um die bestehenden Cathode Strip Chambers (ME1/1) zu ergänzen. Während das System bereits in Betrieb genommen wurde, war eine umfassende Evaluierung seiner Detektionseffizienz unter Verwendung von Kollisionsdaten aus der HL-LHC-Ära (Run 3) erforderlich, um seine Einsatzbereitschaft für zukünftige Operationen zu validieren.

Methodik
Diese Studie analysiert Proton-Proton-Kollisionsdaten, die im Jahr 2023 bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s} = 13.6$ TeV gesammelt wurden, was einer integrierten Luminosität von 17.8 fb$^{-1}$ entspricht. Der Datensatz wurde mit Muonen angereichert, die aus Z-Boson-Zerfällen stammen.

Die Effizienzmessung verwendete eine „Back-Propagation“-Technik, um sicherzustellen, dass die GE1/1-Detektoren nicht für die Track-Rekonstruktion verwendet wurden, die die Muon-Kandidaten definierte, um Zirkularität zu vermeiden. Die Methodik verlief wie folgt:

1. Muon-Selektion: Hochreine globale Muonen wurden unter Verwendung von Standard-Run-3-Rekonstruktionsalgorithmen ausgewählt. Die Selektionskriterien umfassten die Rekonstruktion als globales Muon mit einem Particle-Flow-Algorithmus, Tracker-Tracks mit Hits in mindestens sechs Schichten (einschließlich eines Pixel-Hits), Segment-Matching in mindestens zwei Muon-Stationen und enge Anforderungen an den Impaktparameter relativ zum Primärvertex ($|d_{xy}| < 0.2$ cm, $|d_z| < 0.5$ cm).
2. Track-Re-Fitting: Die ausgewählten globalen Muon-Tracks wurden nach Entfernung aller GE1/1-Hits neu gefittet.
3. Back-Propagation: Diese GE1/1-freien Tracks wurden rückwärts von den äußersten Muon-Stationen durch das Magnetfeld propagiert, um ihre Schnittpunkte mit den GE1/1-Kammern vorherzusagen.
4. Matching: Ein GE1/1-Hit wurde als Match betrachtet, wenn er innerhalb von $\pm 4$ cm der vorhergesagten Position in der $R\Delta\phi$-Koordinate lag.
5. Effizienzkalkulation: Die Effizienz wurde als das Verhältnis von Tracks mit gematchten Hits zur Gesamtzahl der Tracks definiert. Dies wurde für 137 operationale Kammern, einzelne VFAT3-Auslesechips sowie Teilmengen von Kammern basierend auf Hochspannungsstabilität (HV) und dem Vorhandensein von elektrischen Kurzschlüssen berechnet.

Wichtigste Ergebnisse

• Gesamteffizienz: Die durchschnittliche Detektionseffizienz über 137 gemessene GE1/1-Kammern liegt bei etwa 93,3 %.
• Optimale Leistung: Eine Teilmenge von 108 Kammern, die an ihrem nominalen Hochspannungs-Arbeitspunkt (HV) betrieben wurden, zeigte eine durchschnittliche Effizienz von ~96 %. Bei einer weiteren Einschränkung auf 78 Kammern, die keine elektrischen Kurzschlüsse und keine mechanischen Defekte (wie z. B. PCB-Verbiegungen) aufwiesen, blieb die durchschnittliche Effizienz bei ~96 %, womit die im GEM Technical Design Report festgelegten Leistungsbenchmarks erfüllt wurden.
• Einfluss von Kurzschlüssen: Elektrische Kurzschlüsse verschlechtern die Leistung erheblich. Kammern ohne Kurzschlüsse erreichten ~96 % Effizienz, während jene mit einem Kurzschluss auf ~89 %, mit zwei Kurzschlüssen auf ~79 % und mit drei Kurzschlüssen auf ~69 % fielen.
• Pile-up-Abhängigkeit: Die Studie ergab, dass die Detektionseffizienz unabhängig von der Anzahl der rekonstruierten Vertices pro Event (Pile-up) ist, was die Robustheit gegenüber den hohen Interaktionsraten der erwarteten HL-LHC-Ära demonstriert.
• Operationale Probleme: Sieben Kammern wurden während der Datenerfassung abgeschaltet. Zudem zeigten einige Regionen reduzierte Effizienzen aufgrund operationaler Probleme, primär durch das Ausgasen von Klebstoffmaterialien auf den Opto-Hybrid-Boards, was zu Ausfällen der optischen Verbindungen führte.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper stellt den ersten umfassenden Bericht über die GE1/1-Effizienz unter Verwendung von Run-3-Kollisionsdaten dar und stellt die erste vollständige Systembewertung seit dem 2018 Slice Test dar. Die Ergebnisse validieren die Einsatzbereitschaft des GE1/1-Systems für den HL-LHC-Betrieb und bestätigen, dass die Detektoren eine hohe Effizienz und Stabilität unter hohen Pile-up-Bedingungen aufrechterhalten können. Die Studie hebt hervor, dass, obwohl das System insgesamt gut funktioniert, spezifische Probleme wie elektrische Kurzschlüsse und HV-Instabilitäten eine Abschwächung erfordern. Die Autoren merken an, dass zur Behebung der durch optische Verbindungsausfälle und andere Probleme verursachten Ineffizienzen alle Kammern während des Long Shutdown 3 (2026–2030) extrahiert und generalüberholt werden sollen. Die Arbeit bestätigt, dass die GE1/1-Station erfolgreich die Muon-Rekonstruktion und das Level-1-Trigger-Management in der Vorwärtsregion unterstützt.