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

Sintesi Tecnica: Misurazioni dell'efficienza delle camere GEM GE1/1 nel sistema dei Muoni dell'Endcap del CMS aggiornato

Problema e Contesto
L'esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) presso il Large Hadron Collider (LHC) sta affrontando aggiornamenti per sostenere le prestazioni nelle condizioni dell'HL-LHC (High Luminosity LHC), caratterizzate da un aumento della luminosità istantanea e di un significativo pile-up. La regione forward del sistema dei muoni ($1.55 < |\eta| < 2.4$) affronta flussi di particelle e tassi di fondo elevati che complicano la ricostruzione dei muoni e i tassi di trigger. Per affrontare ciò, la stazione del rivelatore GE1/1 Gas Electron Multiplier (GEM) è stata installata durante la Long Shutdown 2 (2018–2022) per integrare l'esistente ME1/1 (Cathode Strip Chambers). Sebbene il sistema fosse stato commissionato, era necessaria una valutazione completa della sua efficienza di rilevamento utilizzando i dati di collisione dell'era HL-LHC (Run 3) per validarne la prontezza per le operazioni future.

Metodologia
Questo studio analizza i dati di collisione protone-protone raccolti nel 2023 a un'energia di centro di massa di $\sqrt{s} = 13.6$ TeV, corrispondente a una luminosità integrata di 17.8 fb$^{-1}$. Il dataset è stato arricchito con muoni provenienti dai decadimenti del bosone Z.

La misurazione dell'efficienza ha impiegato una tecnica di "back-propagation" per garantire che i rivelatori GE1/1 non venissero utilizzati nella ricostruzione delle tracce che definivano i candidati muoni, evitando così la circolarità. La metodologia è proceduta come segue:

1. Selezione dei Muoni: Sono stati selezionati muoni globali ad alta purezza utilizzando gli algoritmi di ricostruzione standard di Run 3. I criteri di selezione includevano la ricostruzione come muone globale con un algoritmo di particle flow, tracce del tracker con hit in almeno sei strati (incluso un hit del pixel), matching dei segmenti in almeno due stazioni di muoni e requisiti rigorosi sull'impatto parametro rispetto al vertice primario ($|d_{xy}| < 0.2$ cm, $|d_z| < 0.5$ cm).
2. Re-fitting delle Tracce: Le tracce dei muoni globali selezionate sono state ri-fittate dopo la rimozione di tutti gli hit GE1/1.
3. Back-Propagation: Queste tracce prive di hit GE1/1 sono state propagate all'indietro dalle stazioni di muoni più esterne attraverso il campo magnetico per predire i loro punti di intersezione con le camere GE1/1.
4. Matching: Un hit GE1/1 è stato considerato un match se cadeva entro $\pm 4$ cm dalla posizione prevista nella coordinata $R\Delta\phi$.
5. Calcolo dell'Efficienza: L'efficienza è stata definita come il rapporto tra le tracce con hit corrispondenti e il numero totale di tracce. Questa è stata calcolata per 137 camere operative, singoli chip di lettura VFAT3 e sottoinsiemi di camere basati sulla stabilità dell'alta tensione (HV) e sulla presenza di cortocircuiti elettrici.

Risultati Chiave

• Efficienza Complessiva: L'efficienza media di rilevamento attraverso i 137 GE1/1 misurati è di circa il 93.3%.
• Prestazioni Ottimali: Un sottoinsieme di 108 camere operanti al proprio punto di lavoro nominale di alta tensione (HV) ha mostrato un'efficienza media di ~96%. Quando ulteriormente ristretta a 78 camere prive di cortocircuiti elettrici e difetti meccanici (come la deformazione dei PCB), l'efficienza media è rimasta a ~96%, soddisfacendo i parametri di prestazione stabiliti nel Technical Design Report del GEM.
• Impatto dei Cortocircuiti: I cortocircuiti elettrici degradano significativamente le prestazioni. Le camere senza cortocircuiti hanno raggiunto un'efficienza del ~96%, mentre quelle con un cortocircuito sono scese al ~89%, con due cortocircuiti al ~79% e con tre cortocircuiti al ~69%.
• Dipendenza dal Pile-Up: Lo studio ha rilevato che l'efficienza di rilevamento è indipendente dal numero di vertici ricostruiti per evento (pile-up), dimostrando robustezza contro gli alti tassi di interazione previsti per l'era HL-LHC.
• Problemi Operativi: Sette camere sono state spente durante l'acquisizione dei dati. Inoltre, alcune regioni hanno mostrato un'efficienza ridotta a causa di problemi operativi, principalmente l'outgassing di materiali adesivi sulle schede opto-hybrid che ha causato guasti nelle connessioni ottiche.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento presenta il primo rapporto completo sull'efficienza GE1/1 utilizzando i dati di collisione di Run 3, rappresentando la prima valutazione completa del sistema dal slice test del 2018. I risultati validano la prontezza del sistema GE1/1 per l'operazione HL-LHC, confermando che i rivelatori possono mantenere un'alta efficienza e stabilità sotto condizioni di alto pile-up. Lo studio evidenzia che, sebbene il sistema funzioni bene nel complesso, problemi specifici come i cortocircuiti elettrici e le instabilità dell'alta tensione richiedono mitigazione. Gli autori osservano che, per affrontare le inefficienze causate dai guasti delle connessioni ottiche e altri problemi, tutte le camere sono programmate per essere estratte e revisionate durante la Long Shutdown 3 (2026–2030). Il lavoro conferma che la stazione GE1/1 aiuta con successo la ricostruzione dei muoni e la gestione del livello-1 trigger nella regione forward.