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

Résumé technique : Mesures d'efficacité des chambres GEM GE1/1 dans le système de muons de l'endcap du CMS amélioré

Problème et contexte
L'expérience CMS (Compact Muon Solenoid) au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) fait l'objet de mises à niveau pour maintenir ses performances dans les conditions du HL-LHC (High Luminosity LHC), caractérisées par une luminosité instantanée accrue et un pile-up important. La région frontale du système de muons (pseudorapidité $1.55 < |\eta| < 2.4$) est confrontée à des flux de particules et des taux de bruit de fond élevés qui compliquent la reconstruction des muons et les taux de déclenchement (trigger). Pour y remédier, la station de détecteur GE1/1 GEM (Gas Electron Multiplier) a été installée lors de la fermeture prolongée 2 (Long Shutdown 2, 2018–2022) afin de compléter les chambres à bandes de cathode (ME1/1) existantes. Bien que le système ait été mis en service, une évaluation complète de son efficacité de détection utilisant les données de collision de l'ère du HL-LHC (Run 3) était nécessaire pour valider son aptitude pour les opérations futures.

Méthodologie
Cette étude analyse les données de collisions proton-proton collectées en 2023 à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13,6$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 17,8 fb$^{-1}$. L'ensemble de données a été enrichi de muons provenant de désintégrations de bosons Z.

La mesure de l'efficacité a employé une technique de « rétro-propagation » pour garantir que les détecteurs GE1/1 n'étaient pas utilisés dans la reconstruction de trajectoire définissant les candidats muons, évitant ainsi toute circularité. La méthodologie a procédé comme suit :

1. Sélection des muons : Des muons globaux de haute pureté ont été sélectionnés à l'aide des algorithmes de reconstruction standards du Run 3. Les critères de sélection incluaient la reconstruction en tant que muon global avec un algorithme de flux de particules (particle flow), des traces de tracker avec des impacts dans au moins six couches (incluant un impact de pixel), une correspondance de segment dans au moins deux stations de muons, et des exigences strictes sur le paramètre d'impact par rapport au vertex primaire ($|d_{xy}| < 0,2$ cm, $|d_z| < 0,5$ cm).
2. Ré-ajustement des trajectoires (Track Re-fitting) : Les trajectoires de muons globaux sélectionnées ont été ré-ajustées après avoir supprimé tous les impacts (hits) GE1/1.
3. Rétro-propagation : Ces trajectoires sans impacts GE1/1 ont été propagées à l'envers depuis les stations de muons les plus externes à travers le champ magnétique pour prédire leurs points d'intersection avec les chambres GE1/1.
4. Correspondance (Matching) : Un impact GE1/1 était considéré comme une correspondance s'il tombait dans un rayon de $\pm 4$ cm de la position prédite dans la coordonnée $R\Delta\phi$.
5. Calcul de l'efficacité : L'efficacité a été définie comme le rapport entre les trajectoires avec impacts correspondants et le nombre total de trajectoires. Elle a été calculée pour 137 chambres opérationnelles, des puces de lecture VFAT3 individuelles, et des sous-ensembles de chambres basés sur la stabilité de la haute tension (HV) et la présence de courts-circuits électriques.

Résultats clés

• Efficacité globale : L'efficacité de détection moyenne à travers 137 chambres GE1/1 mesurées est d'environ 93,3 %.
• Performance optimale : Un sous-ensemble de 108 chambres fonctionnant à leur point de travail de haute tension (HV) nominal a montré une efficacité moyenne de ~96 %. Lorsqu'il a été davantage restreint à 78 chambres ne présentant ni courts-circuits électriques ni défauts mécaniques (tels que le gauchissement des PCB), l'efficacité moyenne est restée à ~96 %, satisfaisant les critères de performance fixés dans le rapport de conception technique (TDR) du GEM.
• Impact des courts-circuits : Les courts-circuits électriques dégradent significativement les performances. Les chambres sans courts-circuits ont atteint ~96 % d'efficacité, tandis que celles avec un court-circuit sont tombées à ~89 %, deux courts-circuits à ~79 %, et trois courts-circuits à ~69 %.
• Dépendance au pile-up : L'étude a constaté que l'efficacité de détection est indépendante du nombre de vertex reconstruits par événement (pile-up), démontrant une robustesse face aux taux d'interaction élevés attendus lors de l'ère du HL-LHC.
• Problèmes opérationnels : Sept chambres ont été éteintes pendant la prise de données. De plus, certaines régions ont montré une efficacité réduite en raison de problèmes opérationnels, principalement le dégazage de matériaux adhésifs sur les cartes opto-hybrides causant des défaillances de connexion optique.

Signification et affirmations
L'article présente le premier rapport complet sur l'efficacité du GE1/1 utilisant les données de collision du Run 3, représentant la première évaluation complète du système depuis le test de tranche (slice test) de 2018. Les résultats valident la préparation du système GE1/1 pour l'exploitation du HL-LHC, confirmant que les détecteurs peuvent maintenir une efficacité et une stabilité élevées sous des conditions de pile-up élevé. L'étude souligne que, bien que le système soit globalement performant, des problèmes spécifiques tels que les courts-circuits électriques et les instabilités de haute tension nécessitent une atténuation. Les auteurs notent que pour traiter les inefficacités causées par les défaillances de connexion optique et d'autres problèmes, toutes les chambres sont programmées pour être extraites et remises en état lors de la fermeture prolongée 3 (Long Shutdown 3, 2026–2030). Ce travail confirme que la station GE1/1 aide avec succès la reconstruction des muons et la gestion du déclenchement de niveau 1 (Level-1 trigger) dans la région frontale.