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Thèse Année : 2020

Development of fast timing detector for CMS experiment upgrade at CERN

Développement d'un détecteur à grande précision temporelle pour la mise en jouvence de l'expérience CMS au CERN

Résumé

The LHC upgrade for high luminosity requires an upgrade of the CMS in many parts. One of the CMS upgrade tasks is to improve the muon tracking and trigger performance, particularly the installation of a new generation of RPC in the RE3/1 and RE4/1 stations. These areas, which were initially planned to be equiped from the beginning of the CMS construction, are still not used today because of the high flux of particles passing through them. The accumulated experience with RPC has made it possible to achieve a chamber with the requested rate capability. This task required the use of new 1.2 mm Bakelite gaps to be produced in KODEL. In parallel, an innovative method of reading out the strips from both ends is proposed to better exploit the RPC capabilities. To achieve this, long strips with return lines read out from both ends independently using PETIROC ASIC are adopted. Three prototypes were produced. The prototypes were tested in numerous tests using cosmic rays at CERN and CERN SPS beamlines (North Area). The high rate capability of the new chamber with high detection efficiency (>90%) was successfully demonstrated at CERN GIF++ facility. Based on these results, the proposed electronics readout system based on PETIROC and the single partition strips read out from both ends has been approved for CMS’s upgrade project. In addition, an excellent absolute time resolution is obtained and is proposed to improve the search of HSCP particles that are predicted by several models beyond the Standard Model. The possibility of integrating a new type of readout into the CMSSW is studied, and a new way of clustering is developed and tested. A new way to incorporate these stations into EMTF to improve the CMS trigger’s efficiency is proposed. It is demonstrated that the prototypes can reach the required performance under the conditions of the RE3/1 and RE4/1 stations. Also, during the R&D the limitations of electronics were identified, and possible solutions were proposed that would increase the performance of electronics at high background loads. Improvements to the electronics are now planned. The minimum threshold will be lowered to 50 fC to ensure performance above 2 kHz without loss of efficiency due to the dead time effect. The latter is to be eliminated by making independent the reset of each of the PETIROC’s channels. As a result of this work, electronics based on PETIROC was approved to be used in the iRPC for CMS experiment
La mise en jouvence du LHC pour la phase de la haute luminosité nécessite une mise à niveau du CMS en de nombreux points. L’une des tâches de la mise à niveau duCMS consiste à améliorer les performances des détecteurs de muons par l’installation, en particulier,d’une nouvelle génération de RPC dans les stations à haut : RE3/1et RE4/1. Ces zones, qui devaient initialement être équipées dès le début de la construction du CMS, ne sont toujours pas utilisées aujourd’hui en raison du flux important de particules qui les traversent. L’expérience accumulée avec la RPC a permis de réaliser une chambre avec la capacité d’être opérée dans les flux de particules au moins trois fois supérieurs à ceux attendus. Cette tâche a nécessité l’utilisation de nouveaux détecteurs utilisant des électrodes en Bakélite de 1.2 mm . Ces détecteurs seront produits en Corée du Sud par le groupe KODEL. En parallèle, une méthode innovante de lecture électronique des détecteurs basée sur l’analyse des signaux des deux bouts des strips a été proposée. Pour y arriver, il a été suggéré d’utiliser de long strips avec des lignes de retour lues des deux cotés par une puce appelée PETIROC qui possède des performances temporelles remarquables. Trois prototypes ont été produits. Les prototypes ont été testés lors de nombreux essais en utilisant les rayons cosmiques au CERN et des aisceaux de particules du SPS CERN (Zone Nord). Les capacités des nouveaux détecteur à être opérés efficacement (>90) dans des flux élevés ont été démontrées dans l’installation GIF++ du CERN. Suit à ces résultats, l’électronique proposée, basée sur PETIROC et les strips lus des deux cotés, a été approuvée dans le cadre du projet de mise à niveau de CMS. De plus, une résolution remarquable du temps absolu a été obtenue avec les bouveux détecteurs. Cette performance sera extrêmement utile pour améliorer la recherche des particules hypothétiques de type HSCP prédits dans plusieurs modèles au delà du Modèle Standard. La possibilité d’intégrer un nouveau type de "readout" dans le CMSSW a été étudiée, et une nouvelle méthode de regroupement a été développée et testée. Une nouvelle méthode d’intégrer ces stations dans l’EMTF pour améliorer l’efficacité du déclenchement du CMS a été aussi proposée. Il a été démontré que les nouveaux détecteurs fonctionnent avec les performances requises dans les conditions des stations RE3/1 et RE4/1. En outre, au cours de la R&D, les limites de l’électronique ont été identifiées et des solutions possibles ont été proposées pour augmenter les performances de l’électronique en présence d’un taux de particules élevé. Des améliorations de l’électronique sont maintenant prévues. Le seuil minimal sera abaissé à 50 fC pour assurer des performances supérieures à 2 kHz/cm2 sans perte d’efficacité due à l’effet de temps mort. Ce dernier sera drastiquement réduit en rendant la remise à zéro pour chaque canal indépendante des autres. À la suite de ces travaux, l’électronique basée sur PETIROC a été approuvée pour être utilisée dans l’iRPC pour l’expérience CMS
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TH2020SHCHABLOKONSTANTIN.pdf (17.69 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03292420 , version 1 (20-07-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03292420 , version 1

Citer

Konstantin Shchablo. Development of fast timing detector for CMS experiment upgrade at CERN. Accelerator Physics [physics.acc-ph]. Université de Lyon, 2020. English. ⟨NNT : 2020LYSE1328⟩. ⟨tel-03292420⟩
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