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

기술 요약: 업그레이드된 CMS 엔드캡 뮤온 시스템 내 GEM GE1/1 챔버의 효율 측정

문제 및 배경
대형 강입자 충돌기(LHC)의 Compact Muon Solenoid(CMS) 실험은 높은 순간 휘도(instantaneous luminosity)와 상당한 파일업(pile-up)으로 특징지어지는 고휘도 LHC(HL-LHC) 조건 하에서 성능을 유지하기 위해 업그레이드를 진행 중이다. 전방 영역(pseudorapidity $1.55 < |\eta| < 2.4$)의 뮤온 시스템은 높은 입자 플럭스와 배경율에 직면해 있으며, 이는 뮤온 재구성 및 트리거율을 복잡하게 만든다. 이를 해결하기 위해, 기존의 Cathode Strip Chambers(ME1/1)를 보완하고자 Long Shutdown 2(2018–2022) 기간 동안 GE1/1 Gas Electron Multiplier(GEM) 검출기 스테이션이 설치되었다. 이 시스템은 시운전되었으나, 미래의 운영 준비 상태를 검증하기 위해 HL-LHC 시대의 충돌 데이터(Run 3)를 이용한 GE1/1 검출 효율에 대한 종합적인 평가가 필요했다.

방법론
본 연구는 중심 질량 에너지 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV, 적분 휘도 17.8 fb$^{-1}$에 해당하는 2023년에 수집된 양성자-양성자 충돌 데이터를 분석한다. 데이터셋은 Z 보손 붕괴에서 기원하는 뮤온들로 풍부하게 구성되었다.

효율 측정에는 순환 논리(circularity)를 피하기 위해 GE1/1 검출기가 뮤온 후보를 정의하는 트랙 재구성에 사용되지 않도록 하는 "역전파(back-propagation)" 기법을 채택하였다. 방법론은 다음과 같다:

1. 뮤온 선택: 표준 Run 3 재구성 알고리즘을 사용하여 고순도 글로벌 뮤온을 선택하였다. 선택 기준에는 파티클 플로우 알고리즘을 사용하는 글로벌 뮤온으로서의 재구성, 최소 6개 층(픽셀 히트 1개 포함)에 히트가 있는 트래커 트랙, 최소 2개 뮤온 스테이션에서의 세그먼트 매칭, 그리고 일차 정점(primary vertex)에 대한 엄격한 충격 매개변수 요구 사항($|d_{xy}| < 0.2$ cm, $|d_z| < 0.5$ cm)이 포함되었다.
2. 트랙 재적합(Re-fitting): 선택된 글로벌 뮤온 트랙들은 모든 GE1/1 히트를 제거한 후 재적합되었다.
3. 역전파: 이 GE1/1-free 트랙들은 가장 바깥쪽 뮤온 스테이션으로부터 자기장을 통해 역방향으로 전파되어 GE1/1 챔버와의 교차 지점을 예측하였다.
4. 매칭: GE1/1 히트는 예측된 위치의 $R\Delta\phi$ 좌표에서 $\pm 4$ cm 이내에 들어올 경우 매치된 것으로 간주되었다.
5. 효율 계산: 효율은 매치된 히트를 가진 트랙의 수를 전체 트랙의 수로 나눈 비율로 정의되었다. 이는 137개의 작동 중인 챔버, 개별 VFAT3 판독 칩, 그리고 고전압(HV) 안정성 및 전기적 단락(short) 존재 여부에 따른 챔버 하위 집합에 대해 계산되었다.

주요 결과

• 전체 효율: 측정된 137개 GE1/1 챔버의 평균 검출 효율은 약 **93.3%**이다.
• 최적의 성능: 명목 고전압(HV) 동작 지점에서 작동하는 108개 챔버의 하위 집합은 **96%**의 평균 효율을 보였다. 이를 전기적 단락이나 기계적 결함(예: PCB 휘어짐)이 없는 78개 챔버로 더욱 제한했을 때도 평균 효율은 **96%**를 유지하였으며, 이는 GEM 기술 설계 보고서(Technical Design Report)에서 설정한 성능 벤치마크를 충족한다.
• 단락의 영향: 전기적 단락은 성능을 크게 저하시킨다. 단락이 없는 챔버는 ~96%의 효율을 달了으나, 단락이 1개인 경우 ~89%, 2개인 경우 ~79%, 3개인 경우 ~69%로 떨어졌다.
• 파일업 의존성: 연구 결과, 검출 효율은 이벤트당 재구성된 정점(vertex)의 수(파일업)와 독립적임이 밝혀졌으며, 이는 HL-LHC 시대에 예상되는 높은 상호작용율에 대한 견고함을 입증한다.
• 운영 문제: 데이터 수집 중 7개의 챔버가 꺼졌다. 또한, 광학 연결 실패를 일으키는 옵토-하이브리드 보드의 접착제 가스 방출(outgassing)과 같은 운영 문제로 인해 효율이 감소한 일부 영역이 나타났다.

의의 및 주장
본 논문은 2018년 슬라이스 테스트 이후의 첫 번째 전체 시스템 평가로서, Run 3 충돌 데이터를 사용한 GE1/1 효율에 관한 첫 번째 종합 보고서를 제시한다. 결과는 GE1/1 시스템의 HL-LHC 운영 준비성을 검증하며, 이 검출기가 높은 파일업 조건에서도 높은 효율과 안정성을 유지할 수 있음을 확인시켜 준다. 본 연구는 시스템이 전반적으로 잘 작동하지만, 전기적 단락 및 HV 불안정성과 같은 특정 문제들에 대한 완화 조치가 필요함을 강조한다. 저자들은 광학 연결 실패 및 기타 문제로 인한 비효율을 해결하기 위해, 모든 챔버를 Long Shutdown 3(2026–2030) 기간 동안 추출하여 개보수(refurbish)할 계획이라고 밝혔다. 이 작업은 GE1/1 스테이션이 전방 영역에서 뮤온 재구성과 레벨-1 트리거 관리에 성공적으로 기여하고 있음을 확인해 준다.