An innovative beam halo monitor system for the cms experiment at the lhc
Authors: Ορφανέλλη Στυλιανή 
Published: August 2021

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.