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

Technische Samenvatting: Efficiëntiemetingen van GE1/1 GEM-kamers in het Geüpgradede CMS Endcap Muonsysteem

Probleem en Context
Het Compact Muon Solenoid (CMS) experiment bij de Large Hadron Collider (LHC) ondergaat upgrades om de prestaties te handhaven onder de High Luminosity LHC (HL-LHC) condities, die worden gekenmerkt door een verhoogde instantane luminositeit en aanzienlijke pile-up. De voorwaartse regio van het muon-systeem (pseudorapiditeit $1.55 < |\eta| < 2.4$) wordt geconfronteerd met hoge deeltjesfluxen en achtergrondsnelheden die de muonreconstructie en trigger-rates compliceren. Om dit aan te pakken, werd de GE1/1 Gas Electron Multiplier (GEM) detectorstation geïnstalleerd tijdens Long Shutdown 2 (2018–2022) om de bestaande Cathode Strip Chambers (ME1/1) aan te vullen. Hoewel het systeem werd gecommitteerd, was een uitgebreide evaluatie van de detectie-efficiëntie met behulp van botsingsdata uit het HL-LHC tijdperk (Run 3) vereist om de gereedheid voor toekomstige operaties te valideren.

Methodologie
Deze studie analyseert proton-proton botsingsdata verzameld in 2023 bij een centrum-van-massa energie van $\sqrt{s} = 13,6$ TeV, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 17,8 fb$^{-1}$. De dataset is verrijkt met muonen afkomstig van Z-boson vervallen.

De efficiëntiemeting maakte gebruik van een "back-propagation" techniek om ervoor te zorgen dat de GE1/1 detectoren niet werden gebruikt in de track-reconstructie die de muon-kandidaten definieerde, om circulariteit te vermijden. De methodologie verliep als volgt:

1. Muon Selectie: Hoog-zuivere globale muonen werden geselecteerd met standaard Run 3 reconstructie-algoritmen. De selectiecriteria omvatten reconstructie als een globale muon met een particle flow algoritme, tracker-tracks met hits in ten minste zes lagen (inclusief één pixel hit), segment-matching in ten minste twee muon-stations, en strikte impact parameter eisen ten opzichte van de primaire vertex ($|d_{xy}| < 0,2$ cm, $|d_z| < 0,5$ cm).
2. Track Re-fitting: Geselecteerde globale muon-tracks werden opnieuw gefit na het verwijderen van alle GE1/1 hits.
3. Back-Propagation: Deze GE1/1-vrije tracks werden achterwaarts gepropageerd vanuit de buitenste muon-stations door het magnetische veld om hun snijpunten met de GE1/1 kamers te voorspellen.
4. Matching: Een GE1/1 hit werd beschouwd als een match als deze binnen $\pm 4$ cm van de voorspelde positie in de $R\Delta\phi$ coördinaat viel.
5. Efficiëntie Berekening: Efficiëntie werd gedefinieerd als de ratio van tracks met gematchte hits tot het totaal aantal tracks. Dit werd berekend voor 137 operationele kamers, individuele VFAT3 readout chips, en subsets van kamers gebaseerd op hoogspanning (HV) stabiliteit en de aanwezigheid van elektrische kortsluitingen.

Belangrijkste Resultaten

• Totale Efficiëntie: De gemiddelde detectie-efficiëntie over 137 gemeten GE1/1 kamers is ongeveer 93,3%.
• Optimale Prestaties: Een subset van 108 kamers die op hun nominale hoogspanning (HV) werkpunt opereerden, vertoonde een gemiddelde efficiëntie van ~96%. Wanneer dit verder werd beperkt tot 78 kamers zonder elektrische kortsluitingen en zonder mechanische defecten (zoals PCB-kromming), bleef de gemiddelde efficiëntie op ~96%, wat voldoet aan de prestatiebenchmarks gesteld in de GEM Technical Design Report.
• Impact van Kortsluitingen: Elektrische kortsluitingen verslechteren de prestaties aanzienlijk. Kamers zonder kortsluitingen bereikten ~96% efficiëntie, terwijl die met één kortsluiting daalden naar ~89%, twee kortsluitingen naar ~79%, en drie kortsluitingen naar ~69%.
• Pile-Up Afhankelijkheid: De studie vond dat de detectie-efficiëntie onafhankelijk is van het aantal gereconstrueerde vertices per event (pile-up), wat de robuustheid aantoont tegen de hoge interactiesnelheden die worden verwacht in het HL-LHC tijdperk.
• Operationele Problemen: Zeven kamers werden uitgeschakeld tijdens de data-afname. Daarnaast vertoonden sommige regio's een verminderde efficiëntie door operationele problemen, primair het uitgasen van adhesiematerialen op opto-hybrid boards, wat leidde tot het falen van optische verbindingen.

Betekenis en Claims
Het artikel presenteert het eerste uitgebreide rapport over GE1/1 efficiëntie met gebruik van Run 3 botsingsdata, wat de eerste volledige systeemevaluatie is sinds de 2018 slice test. De resultaten valideren de gereedheid van het GE1/1 systeem voor HL-LHC operatie, en bevestigen dat de detectoren een hoge efficiëntie en stabiliteit kunnen behouden onder hoge pile-up condities. De studie benadrukt dat hoewel het systeem over het algemeen goed presteert, specifieke problemen zoals elektrische kortsluitingen en HV-instabiliteiten mitigatie vereisen. De auteurs merken op dat om de inefficiënties veroorzaakt door optische verbindingsfouten en andere problemen aan te pakken, alle kamers gepland zijn om geëxtraheerd en gerenoveerd te worden tijdens Long Shutdown 3 (2026–2030). Het werk bevestigt dat de GE1/1 station succesvol bijdraagt aan muonreconstructie en level-1 trigger management in de voorwaartse regio.