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

Resumen Técnico: Mediciones de Eficiencia de las Cámaras GEM GE1/1 en el Sistema de Muones del Endcap de CMS Mejorado

Problema y Contexto
El experimento Compact Muon Solenoid (CMS) en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) está siendo sometido a mejoras para mantener su rendimiento bajo las condiciones del High Luminosity LHC (HL-LHC), caracterizadas por un aumento en la luminosidad instantánea y un pile-up significativo. La región frontal del sistema de muones (pseudorrapidez $1.55 < |\eta| < 2.4$) enfrenta altos flujos de partículas y tasas de fondo que complican la reconstrucción de muones y las tasas de disparo (trigger). Para abordar esto, se instaló la estación de detectores de Gas Electron Multiplier (GEM) GE1/1 durante el Long Shutdown 2 (2018–2022) para complementar las existentes Cathode Strip Chambers (ME1/1). Si bien el sistema fue comisionado, se requería una evaluación exhaustiva de su eficiencia de detección utilizando datos de colisiones de la era del HL-LHC (Run 3) para validar su preparación para operaciones futuras.

Metodología
Este estudio analiza datos de colisiones protón-protón recolectados en 2023 a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13.6$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 17.8 fb$^{-1}$. El conjunto de datos fue enriquecido con muones originados en decaimientos del bosón Z.

La medición de la eficiencia empleó una técnica de "retropropagación" (back-propagation) para asegurar que los detectores GE1/1 no fueran utilizados en la reconstrucción de trazas que definían los candidatos a muones, evitando así la circularidad. La metodología procedió de la siguiente manera:

1. Selección de Muones: Se seleccionaron muones globales de alta pureza utilizando algoritmos estándar de reconstrucción de Run 3. Los criterios de selección incluyeron la reconstrucción como un muón global con un algoritmo de flujo de partículas, trazas del tracker con impactos en al menos seis capas (incluyendo un impacto en un píxel), coincidencia de segmentos en al menos dos estaciones de muones, y requisitos estrictos de parámetro de impacto respecto al vértice primario ($|d_{xy}| < 0.2$ cm, $|d_z| < 0.5$ cm).
2. Reajuste de Trazas: Las trazas de muones globales seleccionadas fueron reajustadas tras eliminar todos los impactos de GE1/1.
3. Retropropagación: Estas trazas libres de impactos GE1/1 fueron propagadas hacia atrás desde las estaciones de muones más externas a través del campo magnético para predecir sus puntos de intersección con las cámaras GE1/1.
4. Coincidencia: Un impacto GE1/1 se consideró una coincidencia si caía dentro de $\pm 4$ cm de la posición predicha en la coordenada $R\Delta\phi$.
5. Cálculo de Eficiencia: La eficiencia se definió como la relación entre las trazas con impactos coincidentes y el número total de trazas. Esto se calculó para 137 cámaras operativas, chips de lectura VFAT3 individuales y subconjuntos de cámaras basados en la estabilidad del alto voltaje (HV) y la presencia de cortocircuitos eléctricos.

Resultados Clave

• Eficiencia Global: La eficiencia de detección promedio a través de los 137 detectores GE1/1 medidos es de aproximadamente 93.3%.
• Rendimiento Óptimo: Un subconjunto de 108 cámaras operó en su punto de trabajo nominal de alto voltaje (HV), mostrando una eficiencia promedio de ~96%. Al restringirse aún más a 78 cámaras que no presentaban cortocircuitos eléctricos ni defectos mecánicos (como el alabeo de los PCB), la eficiencia promedio se mantuvo en ~96%, satisfaciendo los parámetros de rendimiento establecidos en el Informe de Diseño Técnico de GEM.
• Impacto de los Cortocircuitos: Los cortocircuitos eléctricos degradan significamente el rendimiento. Las cámaras sin cortocircuitos alcanzaron un ~96% de eficiencia, mientras que aquellas con un cortocircuito descendieron al ~89%, dos cortocircuitos al ~79%, y tres cortocircuitos al ~69%.
• Dependencia del Pile-Up: El estudio encontró que la eficiencia de detección es independiente del número de vértices reconstruidos por evento (pile-up), demostrando robustez contra las altas tasas de interacción esperadas en la era del HL-LHC.
• Problemas Operativos: Siete cámaras fueron apagadas durante la toma de datos. Además, algunas regiones mostraron una eficiencia reducida debido a problemas operativos, principalmente la desgasificación de materiales adhesivos en las placas opto-híbridas, lo que causó fallos en las conexiones ópticas.

Significancia y Reclamaciones
El artículo presenta el primer informe exhaustivo sobre la eficiencia de GE1/1 utilizando datos de colisiones de Run 3, lo que representa la primera evaluación completa del sistema desde el slice test de 2018. Los resultados validan la preparación del sistema GE1/1 para la operación en el HL-LHC, confirmando que los detectores pueden mantener una alta eficiencia y estabilidad bajo condiciones de alto pile-up. El estudio destaca que, si bien el sistema funciona bien en general, problemas específicos como los cortocircuitos eléctricos y las inestabilidades de HV requieren mitigación. Los autores señalan que, para abordar las ineficiencias causadas por los fallos de conexión óptica y otros problemas, todas las cámaras están programadas para ser extraídas y reacondicionadas durante el Long Shutdown 3 (2026–2030). El trabajo confirma que la estación GE1/1 ayuda con éxito en la reconstrucción de muones y en la gestión del trigger de nivel 1 en la región frontal.