⚛️ high-energy experiments

Operation and performance of the Probe for Luminosity Measurement at LHCb

Este artículo informa sobre el rendimiento operativo del detector PLUME, un monitor de luminosidad dedicado basado en la luz de Cherenkov en LHCb, durante el periodo de toma de datos de la Run 3 en 2024–2026, destacando su función en el control de la luminosidad en tiempo real y registrando una luminosidad integrada de $(26.71 \pm 1.07)$ fb $^{-1}$ a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV.

Autores originales: F. Alessio, S. Barsuk, C. Beigbeder, A. Bellavista, O. Bezshyyko, I. Boiaryntseva, C. Bourgeois, A. Boyarintsev, M. Briere, L. Burmistrov, A. Carbone, G. Cavallero, V. Chaumat, S. Cholak, D. Douillet

Publicado 2026-09-10

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CC BY 4.0

Autores originales: F. Alessio, S. Barsuk, C. Beigbeder, A. Bellavista, O. Bezshyyko, I. Boiaryntseva, C. Bourgeois, A. Boyarintsev, M. Briere, L. Burmistrov, A. Carbone, G. Cavallero, V. Chaumat, S. Cholak, D. Douillet, O. Duarte, P. Durante, F. Ferrari, E. Franzoso, C. Gaspar, L. Golinka-Bezshyyko, L. A. Granado Cardoso, E. Graverini, D. Hohov, G. Iaquaniello, V. Kushnir, R. Matev, P. Mayencourt, V. Mytrochenko, V. Orlov, V. Puill, D. Reynet, P. Robbe, P. Rosier, L. Shchutska, Y. Song, E. Spedicato, L. Toscano, M. van Dijk, A. Villa, G. Vouters, V. Yeroshenko, V. Zhovkovska

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Dentro del vasto túnel circular del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, dos haces de protones compiten en direcciones opuestas casi a la velocidad de la luz. Cuando estos haces colisionan, crean una lluvia de nuevas partículas que los científicos estudian para comprender las leyes fundamentales de la naturaleza. Para dar sentido a estas colisiones, los investigadores necesitan saber exactamente cuántas veces los protones chocan entre sí. Esta medida, llamada luminosidad, no es solo un número; es la clave que desbloquea el valor de cada experimento. Sin un recuento preciso de las colisiones, los científicos no pueden determinar si un evento raro que observan es un descubrimiento genuino o simplemente un error estadístico. Debido a que el experimento LHCb se centra en procesos raros que involucran partículas pesadas, debe operar con una precisión extrema, manteniendo la tasa de colisión constante y bien comprendida. Si la tasa fluctúa demasiado, los delicados detectores pueden verse abrumados, perdiendo la capacidad de registrar las sutiles señales que están diseñados para encontrar.

Para resolver este problema, un equipo especializado ha construido y operado un monitor dedicado llamado PLUME, que significa Sonda para la Medición de la Luminosidad (Probe for LUminosity MEasurement). Este dispositivo actúa como un contador altamente sensible, situado cerca del punto donde los haces de protones chocan entre sí. En lugar de intentar capturar las partículas en sí, PLUME observa un tenue destello de luz conocido como radiación de Cherenkov. Esta luz se produce cuando las partículas cargadas, creadas por las colisiones, viajan a través de un bloque de vidrio de sílice fundida más rápido de lo que la luz puede viajar a través de ese mismo vidrio. El monitor está equipado con cuarenta y ocho tubos fotomultiplicadores, que son esencialmente ojos ultrasensibles capaces de detectar fotones individuales de luz. Al contar estos destellos de luz, el sistema puede calcular exactamente cuántas colisiones están ocurriendo en cualquier momento dado, proporcionando una alimentación de datos en tiempo real que mantiene todo el experimento funcionando sin problemas.

El artículo detalla cómo este sistema funcionó durante el periodo de toma de datos de 2024 a 2026, un tiempo en el que el experimento LHCb funcionaba a su máxima capacidad hasta la fecha. Los investigadores informan que el detector trabajó con una estabilidad notable, rastreando con éxito las colisiones a medida que la máquina entregaba un total de 26,71 femtobarns inversos de datos. Esta unidad de medida representa la cantidad total de datos de colisión recolectados, y el equipo calculó esta cifra con un alto grado de confianza, teniendo en cuenta diversas fuentes de error. El sistema demostró ser tan fiable que se convirtió en la herramienta principal para controlar el proceso de nivelación de la luminosidad, un procedimiento que ajusta la intensidad del haz para asegurar que los detectores nunca se vean abrumados. El equipo también demostró que el sistema podía medir el tiempo de las colisiones con una precisión increíble, de hasta unos pocos miles de millones de partes de segundo, lo cual es esencial para sincronizar las diferentes partes del enorme detector.

Más allá de simplemente contar colisiones, el detector PLUME enfrentó el desafío del envejecimiento en un entorno hostil. La intensa radiación cerca del punto de colisión puede dañar los componentes electrónicos con el tiempo, haciendo que sean menos sensibles. Para contrarrestar esto, el equipo desarrolló un sofisticado sistema de calibración. Utilizaron una combinación de pulsos de luz y mediciones directas de la corriente eléctrica que fluye a través de los tubos para ajustar constantemente el voltaje. Esto les permitió mantener la sensibilidad de los detectores perfectamente ajustada, incluso a medida que el equipo acumulaba un daño por radiación significativo. El estudio muestra que el sistema pudo mantener su precisión dentro de un margen de unos pocos puntos porcentuales, asegurando que los datos recolectados durante varios años permanecieran consistentes y dignos de confianza.

Los investigadores también exploraron formas de mantener el experimento en funcionamiento incluso si el sistema de conteo primario enfrentaba dificultades técnicas. Desarrollaron un método de respaldo que medía directamente la corriente eléctrica absorbida por los tubos fotomultiplicadores, en lugar de contar destellos de luz individuales. Aunque este método de respaldo era ligeramente menos preciso porque no podía distinguir fácilmente entre las colisiones en el haz principal y aquellas en una celda de gas separada, proporcionaba una red de seguridad crucial. El equipo encontró que este enfoque alternativo aún podía proporcionar una estimación fiable de la tasa de colisiones, asegurando que el experimento no perdiera valiosos datos durante interrupciones inesperadas.

Además de contar, el sistema PLUME desempeñó un papel vital en el mantenimiento del tiempo. El LHC opera bajo un ciclo de reloj estricto, y los detectores deben estar perfectamente sincronizados con la llegada de los paquetes de protones. El equipo utilizó el detector PLUM para medir el momento exacto en que ocurrieron las colisiones con respecto al reloj maestro de la máquina. Encontraron que el detector podía rastrear estos cambios de tiempo con una precisión de unos ocho picosegundos, que es una fracción minúscula de un nanosegundo. Este nivel de precisión permitió a los operadores corregir cualquier deriva en el sistema, asegurando que los detectores estuvieran siempre mirando en el momento correcto. Las mediciones de PLUME concordaban bien con otros sistemas de tiempo independientes, confirmando que el detector estaba proporcionando una verificación fiable e independiente del tiempo del experimento.

El artículo concluye que el detector PLUME ha cumplido con éxito su función como un instrumento robusto y versátil para el experimento LHCb. Ha proporcionado un flujo continuo y en tiempo real de datos de luminosidad que ha sido esencial para la operación estable de la máquina. El trabajo del equipo demuestra que, con una calibración y un monitoreo cuidadosos, incluso los detectores que operan en entornos de radiación extrema pueden mantener una alta precisión durante largos períodos. La luminosidad integrada registrada por el sistema sirve como base para todos los resultados de física que se publicarán de este periodo de toma de datos. Si bien los números finales utilizados para los artículos científicos provendrán de análisis detallados fuera de línea (offline), las mediciones en línea de PLUME ya han demostrado su valía para mantener el experimento funcionando de manera eficiente y segura. El éxito de este sistema resalta la importancia de las herramientas de monitoreo dedicadas en la física de partículas moderna, donde la capacidad de medir la intensidad y el tiempo de las colisiones es tan crítica como la capacidad de detectar las partículas mismas.

Resumen Técnico: Operación y Rendimiento de la Sonda para la Medición de Luminosidad (PLUME) en LHCb

Planteamiento del Problema
El experimento LHCb, dedicado a la física de sabores, opera en un entorno de aceptación frontal de alta ocupación. Durante el Run 3, el detector opera a luminosidades aproximadamente cinco veces mayores que en ejecuciones anteriores. Para mantener un rendimiento óptido del detector y gestionar las altas tasas de interacción, la luminosidad instantánea entregada a LHCb se estabiliza mediante un procedimiento dedicado de nivelación de luminosidad. Este proceso requiere una determinación precisa y en tiempo real, por cada grupo de colisiones (bunch-by-bunch), de la luminosidad instantánea. Además, las variaciones en la fase del reloj del LHC debidas a fluctuaciones de temperatura y cambios en la longitud de la fibra pueden provocar desalineaciones temporales entre los subdetectores, causando pérdidas de eficiencia. Se requería un sistema dedicado para proporcionar el monitoreo de luminosidad de baja latencia y mediciones de tiempo de fase del haz independientes para asegurar condiciones estables de toma de datos.

Metodología
La Sonda para la Medición de la Luminosidad (PLUME, por sus siglas en inglés) es un detector de hodoscopio instalado entre $z = -1485$ mm y $z = -2085$ mm a lo largo del eje del haz, cubriendo un rango de pseudorapidez de $-2.4 < \eta < -3.1$ . El detector consta de 48 tubos fotomultiplicadores (PMT) Hamamatsu R760 dispuestos en una configuración de dos capas con forma de cruz. Cada PMT está acoplado a una tableta de sílice fundida de 5 mm para mejorar el rendimiento de la luz de Cherenkov producida por las partículas cargadas que emergen de la región de colisión.

Determinación de la Luminosidad: PLUME utiliza el método "logZero", calculando el número promedio de interacciones por cruce de haces ( $\mu$ ) basándose en la probabilidad de detectar cero eventos ( $P(0)$ ). Para asegurar la precisión, el sistema realiza una sustracción de fondo para eliminar las contribuciones de la celda de gas de blanco fijo SMOG2 y las interacciones haz-gas. La luminosidad instantánea ( $L_{inst}$ ) se deriva de la tasa de interacción tras la sustracción del fondo y una sección eficaz visible ( $\sigma_{vis}$ ) determinada mediante escaneos de van der Meer (vdM) y escaneos de emitancia.
Monitoreo de Tiempo: Cuatro de los 48 PMT están dedicados a medir el tiempo de fase del haz. La señal analógica de estos PMT se divide en ocho réplicas, cada una con un retraso de 3 ns, lo que permite muestrear el frente de subida del pulso en múltiples desfases temporales. El tiempo de llegada se reconstruye offline ajustando la respuesta acumulativa con una función de error para determinar el punto de inflexión.
Electrónica y Lectura: El detector emplea placas de Front-End (FE) idénticas a las utilizadas en el calorímetro de LHCb, utilizando el ASIC ICECAL para la amplificación e integración de la señal. Los datos son procesados por placas de soporte (back-end) TELL40 que alojan FPGAs Intel Arria 10. Un firmware personalizado gestiona la sustracción de pedestales, el umbralización y la acumulación de conteos por cruce de haces. Un sistema de monitoreo dedicado utiliza pulsos de LED inyectados vía fibras de cuarzo para calibrar la ganancia de los PMT, complementado con una técnica basada en datos utilizando las memorias RAM de las TELL40 para obtener mayor estadística.
Redundancia: Se desarrolló un método alternativo de monitoreo de luminosidad basado en las corrientes de ánodo de los PMT para asegurar la continuidad operativa durante condiciones no nominales (por ejemplo, pérdida de la señal TFC), aunque está limitado por la incapacidad de restar las contribuciones de SMOG2.

Contribuciones Clave

Implementación del Detector: Comisión y operación exitosas de un hodoscopio de 48 canales basado en PMT para el monitoreo de luminosidad y tiempo en tiempo real en el entorno de radiación severa del punto de interacción de LHCb.
Desarrollo de Firmware: Implementación de firmware personalizado en placas TELL40 para realizar el cálculo de luminosidad en línea con una latencia de 2.4 segundos (muy por debajo del requisito de 3.0 segundos de LHC) y una reconstrucción de tiempo de alta precisión.
Estrategias de Calibración: Desarrollo de un sistema de calibración de ganancia de doble enfoque que combina el monitoreo basado en LED con un método basado en datos utilizando la lectura completa de la tasa de las TELL40 para superar las limitaciones estadísticas durante llenados cortos o colisiones de baja tasa.
Integración del Sistema: Integración de PLUME en el Sistema de Control de Experimentos (ECS) y el marco de Adquisición de Datos (DAQ) de LHCb, permitiendo tanto la retroalimentación de baja latencia para la nivelación de luminosidad como el análisis offline para la determinación de la luminosidad integrada.

Resultados
Durante el periodo de toma de datos 2024–2026 del Run 3, PLUME operó de manera estable, proporcionando mediciones de luminosidad para más del 99% del tiempo de haz estable.

Luminosidad Integrada: La luminosidad integrada total registrada por LHCb en colisiones $pp $a$ \sqrt{s} = 13.6$ TeV, medida por los contadores en línea de PLUM para el monitoreo de rendimiento, es de $L = (26.71 \pm 1.07) \text{ fb}^{-1}$ . Esto se desglosa en $9.56 \pm 0.39 \text{ fb}^{-1}$ (2024), $11.81 \pm 0.48 \text{ fb}^{-1}$ (2025) y $5.34 \pm 0.22 \text{ fb}^{-1}$ (2026).
Incertidumbre: La incertidumbre sistemática relativa total en la determinación de la luminosidad en línea es del 4.0%. La contribución dominante (3.1%) proviene de la determinación de las secciones eficaces visibles durante los escaneos vdM. Otras contribuciones incluyen la calibración de ganancia (0.4%), la compatibilidad de las mediciones (1.7%) y la consistencia entre los contadores en línea (1.9%).
Estabilidad de Ganancia: La ganancia de los PMT se mantuvo con una precisión de aproximadamente el 1% respecto al valor objetivo. Los ajustes de alto voltaje fueron suficientes para mantener una ganancia constante, y las extrapolaciones indican que no se alcanzarán los límites máximos de voltaje hasta mucho después de la exposición esperada del Run 4.
Rendimiento de Tiempo: La medición de tiempo de PLUME logró una resolución de aproximadamente 8 ps. La diferencia de fase del reloj de colisión medida mostró una buena concordancia general con el sistema de tiempo de recogida de haz (BPTX), aunque se observaron diferencias de hasta 200 ps, atribuidas a las diferentes magnitudes físicas medidas por ambos sistemas.

Significancia
El artículo establece a PLUME como un instrumento fiable y versátil para el experimento LHCb durante el Run 3. Cumple con éxito su función principal como detector para controlar el proceso de nivelación de luminosidad, proporcionando la retroalimentación necesaria en tiempo real para estabilizar la luminosidad instantánea. Adicionalmente, PLUME sirve como una herramienta crítica para la alineación temporal continua, ofreciendo una medición independiente de la fase del haz que complementa la instrumentación de haz existente. El documento señala que, si bien PLUME proporciona los valores de luminosidad en línea utilizados para el monitoreo del rendimiento del detector, los valores de luminosidad utilizados en los análisis de física se determinan por separado mediante calibraciones offline dedicadas y se informarán en una publicación separada. La estabilidad operativa y el rendimiento demostrados durante el Run 3 validan el diseño del detector y los sistemas asociados de lectura y calibración para futuras operaciones de alta luminosidad.

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