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

Resumo Técnico: Medições de Eficiência das Câmaras GEM GE1/1 no Sistema de Múons do Endcap do CMS Atualizado

Problema e Contexto
O experimento Compact Muon Solenoid (CMS) no Large Hadron Collider (LHC) está passando por atualizações para sustentar o desempenho sob as condições do High Luminosity LHC (HL-LHC), caracterizadas pelo aumento da luminosidade instantânea e do pile-up significativo. A região frontal do sistema de múons (pseudorapidade $1.55 < |\eta| < 2.4$) enfrenta altos fluxos de partículas e taxas de fundo que complicam a reconstrução de múons e as taxas de gatilho (trigger). Para abordar isso, a estação de detector de Multiplicador de Elétrons a Gás (GEM) GE1/1 foi instalada durante o Long Shutdown 2 (2018–2022) para complementar as existentes Cathode Strip Chambers (ME1/1). Embora o sistema tenha sido comissionado, uma avaliação abrangente de sua eficiência de detecção usando dados de colisão da era do HL-LHC (Run 3) era necessária para validar sua prontidão para operações futuras.

Metodologia
Este estudo analisa dados de colisões próton-próton coletados em 2023 a uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 13,6$ TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de 17,8 fb$^{-1}$. O conjunto de dados foi enriquecido com múons originários de decaimentos do bóson Z.

A medição de eficiência empregou uma técnica de "retropropagação" (back-propagation) para garantir que os detectores GE1/1 não fossem usados na reconstrução de trilhas que definiam os candidatos a múons, evitando assim a circularidade. A metodologia procedeu da seguinte forma:

1. Seleção de Múons: Múons globais de alta pureza foram selecionados usando algoritmos padrão de reconstrução da Run 3. Os critérios de seleção incluíram reconstrução como um múon global com um algoritmo de fluxo de partículas, trilhas de rastreador com hits em pelo menos seis camadas (incluindo um hit de pixel), correspondência de segmento em pelo menos duas estações de múons e requisitos rigorosos de parâmetro de impacto em relação ao vértice primário ($|d_{xy}| < 0,2$ cm, $|d_z| < 0,5$ cm).
2. Reajuste de Trilha (Re-fitting): As trilhas de múons globais selecionadas foram reajustadas após a remoção de todos os hits do GE1/1.
3. Retropropagação: Essas trilhas livres de GE1/1 foram propagadas para trás a partir das estações de múons mais externas através do campo magnético para prever seus pontos de interseção com as câmaras GE1/1.
4. Correspondência (Matching): Um hit de GE1/1 foi considerado uma correspondência se caísse dentro de $\pm 4$ cm da posição prevista na coordenada $R\Delta\phi$.
5. Cálculo de Eficiência: A eficiência foi definida como a razão entre as trilhas com hits correspondentes e o número total de trilhas. Isso foi calculado para 137 câmaras operacionais, chips de leitura VFAT3 individuais e subconjuntos de câmaras baseados em estabilidade de alta tensão (HV) e presença de curtos-circuitos elétricos.

Principais Resultados

• Eficiência Geral: A eficiência média de detecção através das 137 câmaras GE1/1 medidas é de aproximadamente 93,3%.
• Desempenho Ótimo: Um subconjunto de 108 câmaras operou em seu ponto de trabalho nominal de alta tensão (HV), mostrando uma eficiência média de ~96%. Quando restrito adicionalmente a 78 câmaras que não apresentavam curtos-circuitos elétricos nem defeitos mecânicos (como empenamento de PCB), a eficiência média permaneceu em ~96%, satisfazendo os parâmetros de desempenho estabelecidos no Relatório de Design Técnico do GEM.
• Impacto de Curtos-Circuitos: Curtos-circuitos elétricos degradam significativamente o desempenho. Câmaras sem curtos alcançaram ~96% de eficiência, enquanto aquelas com um curto caíram para ~89%, dois curtos para ~79% e três curtos para ~69%.
• Dependência de Pile-up: O estudo descobriu que a eficiência de detecção é independente do número de vértices reconstruídos por evento (pile-up), demonstrando robustez contra as altas taxas de interação esperadas na era do HL-LHC.
• Problemas Operacionais: Sete câmaras foram desligadas durante a coleta de dados. Além disso, algumas regiões mostraram eficiência reduzida devido a problemas operacionais, principalmente o desprendimento de gases (outgassing) de materiais adesivos em placas opto-híbridas, causando falhas de conexão óptica.

Significância e Alegações
O artigo apresenta o primeiro relatório abrangente sobre a eficiência do GE1/1 usando dados de colisão da Run 3, representando a primeira avaliação completa do sistema desde o teste de fatia (slice test) de 2018. Os resultados validam a prontidão do sistema GE1/1 para a operação no HL-LHC, confirmando que os detectores podem manter alta eficiência e estabilidade sob condições de alto pile-up. O estudo destaca que, embora o sistema funcione bem no geral, problemas específicos, como curtos-circuitos elétricos e instabilidades de HV, requerem mitigação. Os autores observam que, para abordar as ineficiências causadas por falhas de conexão óptica e outros problemas, todas as câmaras estão programadas para serem extraídas e reformadas durante o Long Shutdown 3 (2026–2030). O trabalho confirma que a estação GE1/1 auxilia com sucesso na reconstrução de múons e no gerenciamento do gatilho de nível-1 (level-1 trigger) na região frontal.