An innovative beam halo monitor system for the cms experiment at the lhc: design, commissioning and first beam results

Abstract

The Compact Muon Solenoid (CMS) is a multi-purpose experiment situated at theLarge Hadron Collider (LHC). The CMS has the mandate of searching new physicsand making precise measurements of the already known mechanisms by using dataproduced by collisions of high-energy particles. To ensure high quality physics datataking, it is important to monitor and ensure the quality of the colliding particlebeams.This thesis presents the research and design, the integration and the first commissioning results of a novel Beam Halo Monitor (BHM) that was designed and built for the CMS experiment. The BHM provides an online, bunch-by-bunch measurement of background particles created by interactions of the proton beam with residual gas molecules in the vacuum chamber or with collimator material upstream of the CMS, separately for each beam. The system consists of two arrays of twenty direction-sensitive detectors that are distributed azimuthally around the outer forward shielding of the CMS experiment. Each detector is comprised of a cylindrical quartz Cherenkov radiator, optically coupled to a fast ultraviolet-sensitive photomultiplier tube from one end and painted black at the opposite end. The novelty of the system is its directional sensitivity, which combined with the fast timing response of the detector units of a few nanoseconds, allows for the bunch-by-bunch measurement of the flux of the background particles produced upstream of CMS and the suppression of the signals induced by collision products.Monte Carlo simulations were performed to estimate the background and collision products fluxes at the detector location and the radiation environment and to optimize the detector design. The performance of the prototype detectors was validated experimentally in test beams. The system was designed to sustain the high radiation levels and be fully operational until the end of the LHC lifetime, including the HL-LHC era. A special magnetic shielding was designed to protect the photodetectors from the fringe magnetic eld present at the system location. The readout electronics are based on the CMS Hadronic Calorimeter Phase 1 upgrade electronics. The electronics record the time of arrival and the integrated charge over 25 ns of each detector unit signal and deliver bunch-by-bunch occupancy histograms. The BHM software then receives and normalizes the results and publishes the bunch-by-bunch background histogram and a normalized background number for each beam to the LHC and CMS every 23 s, corresponding to 2^18 LHC orbits.The BHM system was installed during the first LHC long shutdown (LS1) andewas commissioned with the first beams of Run 2 of the LHC in 2015 and is nowproviding the LHC machine and CMS experts useful feedback on the beam qualityand the machine settings.

Το πείραμα Συμπαγές Σωληνοειδές Μιονίων (Compact Muon Solenoid, CMS) είναι ένα πείραμα πολλαπλού σκοπού που βρίσκεται στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider , LHC) και έχει ως αποστολή την αναζήτηση νέας φυσικής και την πραγματοποίση μετρήσεων υψηλής ακρίβειας των ήδη γνωστών μηχανισμών με βάση δεδομένα που παράγονται από συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Για τη διασφάλιση της λήψης υψηλής ποιότητας δεδομένων φυσικής είναι απαραίτητο να παρακολουθείται και να διασφαλίζεται η ποιότητα των συγκρουόμενων δεσμών σωματιδίων. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει την έρευνα και το σχεδιασμό, την εγκατάσταση και τα πρώτα αποτελέσματα ενός νέου Συστήματος Ανίχνευσης Στεφάνης Δέσμης (Beam Halo Monitor, BHM) που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε για το πείραμα CMS. Το BHM παρέχει μία απευθείας μέτρηση, χωριστά για κάθε δέσμη, των σωματιδίων υποβάθρου που δημιουργούνται από τις αλληλεπιδράσεις των πρωτονίων της δέσμης είτε με εναπομένοντα μόρια αερίου στο θάλαμο κενού ή με υλικό των κατευθυντήρων που βρίσκονται στα ανάντη του CMS. Το σύστημα αποτελείται από δύο συστοιχίες είκοσι ανιχνευτών και διανεμημένων αζιμουθιακά γύρω από την πρόσθια θωράκιση του πειράματος. Κάθε ανιχνευτής αποτελείται από έναν κυλινδρικό ακτινοβολητή Cherenkov από χαλαζία, από το ένα άκρο είναι οπτικά συζευγμένος με ένα φωτοπολλαπλασιαστή με γρήγορη απόκριση και ευαίσθητο στην υπεριώδη ακτιβοβολία και στο αντίθετο είναι βαμμένος μαύρος. Η καινοτομία του συστήματος είναι η ευαισθησία στην κατεύθυνση των σωματιδίων που ανιχνεύει, η οποία, σε συνδυασμό με τη γρήγορη χρονική απόκριση μερικών νανοδευτερολέπτων, επιτρέπει τη μέτρηση της ροής των σωματιδίων υποβάθρου που παράγονται στα ανάντη του CMS και την καταστολή του σήματος από προϊόντα σύγκρουσης.Η εκτίμηση των ροών των σωματιδίων υποβάθρου και των προϊόντων σύγκρουσης και του περιβάλλοντος ακτινοβολίας στη θέση του ανιχνευτή και η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του βασίστηκαν σε Μόντε Κάρλο προσομοιώσεις. Η απόδοση των πρωτοτύπων ανιχνευτικών μονάδων πιστοποιήθηκε πειραματικά με δεδομένα δοκιμαστικής δέσμης. Το σύστημα σχεδιάστηκε για να αντέχει την έκθεση σε υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας και να είναι λειτουργικό μέχρι το τέλος ζωής του LHC, συμπεριλαμβανομένης της High Luminosity εποχής. Μια μαγνητική θωράκιση έχει σχεδιαστεί για την προστασία των φωτοανιχνευτών από το μαγνητικό πεδίο που είναι παρόν στη θέση του συστήματος. Τα ηλεκτρονικά ανάγνωσης έχουν βασιστεί στα ηλεκτρονικά αναβάθμισης της Φάσης 1 του αδρονικού θερμιδόμετρου του CMS και καταγράφουν από το σήμα κάθε ανιχνευτικής μονάδας την ώρα άφιξης και το φορτίο ολοκληρωμένο για 25 ns. Έπειτα, παραδίδουν ιστογράμματα πληρότητας για όλες τις ομάδες πρωτονίων της δέσμης στο λογισμικό το οποίο κανονικοποιεί τα αποτελέσματα και δημοσιεύει ένα ιστόγραμμα υποβάθρου για όλες τις ομάδες πρωτονίων και έναν κανονικοποιημένο αριθμό υποβάθρου για κάθε δέσμη στο LHC και το CMS κάθε 23 s (2^18 LHC τροχιές).Το BHM σύστημα εγκαταστάθηκε κατά τη διάρκεια του Long Shutdown 1 του LHC και η απόδοσή του πιστοποιήθηκε με τις πρώτες δέσμες του Run 2 το 2015 και έκτοτε παρέχει στους ειδικούς του LHC και του CMS χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα της δέσμης και τις ρυθμίσεις του επιταχυντή.