Χαρακτηρισμός της απόδοσης του ανιχνευτή Micromegas για την αναβάθμιση New Small Wheel και ανάπτυξη και βελτίωση του συστήματος αυτομάτου ελέγχου των ανιχνευτών μιονίων στο πείραμα ATLAS
Authors: Ντέκας Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Η αναβάθμιση του μιονικού συστήματος του πειράματος ATLAS είναι πρωταρχικά απαραίτητη λόγω της υψηλής ακτινοβολίας υποβάθρου που αναμένεται μετά την αναβάθμιση του LHC κατά την περίοδο Phase-1 (2021) και κυρίως στην φωτεινότητα που αναμένεται στον αναβαθμισμένο HL-LHC (2026). Λόγω των παραπάνω, οι ανιχνευτές που καταλαμβάνουν την περιοχή του μιονικού συστήματος που βρίσκεται πιο κοντά στην σημείο αλληλεπίδρασης (IP), Small Wheel (SW), που είναι MDT, CSC & TGC, θα πρέπει να ανταπεξέλθουν σε περιβάλλον φωτεινότητας πολύ μεγαλύτερης από την τιμή για την οποία έχουν σχεδιαστεί. Παράλληλα ο ρυθμός του trigger των μιονίων θα ξεπεράσει το διαθέσιμο εύρος ζώνης εξαιτίας των fake triggers (το 90% προέρχεται κυρίως από σωματίδια υποβάθρου χαμηλής ενέργειας). Το υπάρχον SW θα αντικατασταθεί με ένα νέο σύστημα (NSW) που θα αποτελείται από ανιχνευτές small-strip Thin Gap Chambers (sTGC) και resistive-strip Micromegas (MM) ώστε να διατηρήσει την εξαιρετική του απόδοση και μετά το Run-2. Η αναβάθμιση NSW απαιτεί και οι δύο τεχνολογίες ανιχνευτών του νέου συστήματος να μπορούν να παρέχουν ακριβή ταυτοποίηση των μιονικών τροχιών καθώς και πληροφορίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το trigger. Το σύστημα του NSW θα συνεισφέρει με αυτό τον τρόπο στην ελαχιστοποίηση των fake triggers ανακατασκευάζοντας ακριβή (σ~1mrad) τμήματα των μιονικών τροχιών που επεκτείνονται στο IP online. Ακόμη, η αποδοτική και ακριβής ανακατασκευή των μιονικών τροχιών offline (σ~100μm), ακόμα και στο μέγιστο αναμενόμενο ρυθμό διερχόμενων σωματιδίων (15kHz/(cm2) είναι προαπαιτούμενη. Επιπλέον, εξαιτίας του μέτριας έντασης μαγνητικού πεδίου που αναμένεται στην περιοχή του NSW (0.3T), στοχευμένες μελέτες έχουν αφιερωθεί στην κατανόηση της επίδρασης της δύναμης Lorentz στην απόδοση των ανιχνευτών MM όταν λειτουργούν υπό την επήρεια μαγνητικού πεδίου. Οι μελέτες πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας δοκιμαστικές δέσμες, όπου οι ανιχνευτές λειτουργούσαν μέσα σε μαγνήτες, καθώς και μέσω προσομοιώσεων. Η συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης και των μετρήσεων με τις δοκιμαστικές της δέσμες κατέδειξε ότι η όσο το δυνατόν ακριβέστερη γνώση της έντασης και διεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου είναι απαραίτητη για τη βέλτιστη απόδοση των ανιχνευτών MM στο NSW. Συμπληρωματικά με αυτές τις μελέτες, αναπτύχθηκαν πρότυπες μέθοδοι, για τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιώντας δεδομένα από τους MM. Πέρα από τη μελέτη και την βελτιστοποίηση της απόδοσης των ανιχνευτών MM, εξετάστηκε και η χρήση γεωμετριών στοιχείων ανάγνωσης με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Η υιοθέτηση αυτών των σχημάτων ανάγνωσης των MM μειώνει σημαντικά των αριθμό των επιπέδων ανίχνευσης και των ηλεκτρονικών καναλιών, επιτρέποντας την χρήση των MM σε πειράματα μεγάλης κλίμακας. Η χρήση ενός σχήματος με stereo strips, όπως προβλέπεται για τους MM του NSW, επιτρέπει την δισδιάστατη ανακατασκευή της θέσης ενός διερχόμενου φορτισμένου σωματιδίου. Η μελέτη της αρχής λειτουργίας του σχήματος των stereo strips έγινε χρησιμοποιώντας ένα μεσαίου μεγέθους ανιχνευτή MM με τέσσερα επίπεδα ανίχνευσης, στα πρότυπα του NSW. Επιπλέον, μελετήθηκε η πιθανότητα πολύπλεξης των strip του ανιχνευτή MM σε ένα μικρότερο αριθμό ηλεκτρονικών καναλιών. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι ένα σχήμα πολύπλεξης μπορεί να εφαρμοστεί στους MM, χωρίς να επηρεάζονται τα εξαιρετικά εγγενή χαρακτηριστικά του ανιχνευτή.