Beam test performance studies of CMS Phase-2 Outer Tracker module prototypes
Authors: Adam W. , Bergauer T. , Damanakis K. , Dragicevic M. , Frühwirth R. , Steininger H. , Beaumont W. , Darwish M.R. , Janssen T. , Van Mechelen P. , Breugelmans N. , Delcourt M. , De Moor A. , D'Hondt J. , Heyen F. , Lowette S. , Makarenko I. , Muller D. , Tytgat M. , Vannerom D. , Van Putte S. , Allard Y. , Clerbaux B. , Caviglia F. , Dansana S. , Das A. , De Lentdecker G. , Evard H. , Favart L. , Khalilzadeh A. , Lee K. , Malara A. , Robert F. , Thomas L. , Vanden Bemden M. , Vanlaer P. , Yang Y. , Benecke A. , Bethani A. , Bruno G. , Caputo C. , De Favereau J. , Delaere C. , Donertas I.S. , Giammanco A. , Jain S. , Lemaitre V. , Lidrych J. , Mondal K. , Szilasi N. , Tran T.T. , Wertz S. , Brigljević V. , Chitroda B. , Ferenček D. , Mishra S. , Starodumov A. , Šuša T. , Brücken E. , Lampén T. , Tuominen E. , Karadzhinova-Ferrer A. , Luukka P. , Petrow H. , Tuuva T. , Agram J.-L. , Andrea J. , Bloch D. , Bonnin C. , Brom J.-M. , Chabert E. , Collard C. , Dangelser E. , Falke S. , Goerlach U. , Gross L. , Haas C. , Krauth M. , Ollivier-Henry N. , Saha G. , Vaucelle P. , Baulieu G. , Bonnevaux A. , Boudoul G. , Caponetto L. , Chanon N. , Contardo D. , Dupasquier T. , Galbit G. , Greenberg C. , Marchisone M. , Mirabito L. , Nodari B. , Purohit A. , Schibler E. , Schirra F. , Vander Donckt M. , Viret S. , Adamowicz K. , Botta V. , Ebisch C. , Feld L. , Karpinski W. , Klein K. , Lipinski M. , Louis D. , Meuser D. , Oppenländer V. , Özen I. , Pauls A. , Röwert N. , Teroerde M. , Wlochal M. , Beckers M. , Dziwok C. , Fluegge G. , Höflich N. , Pooth O. , Stahl A. , Wyszkowska W. , Ziemons T. , Agah A. , Baxter S. , Bhattacharya S. , Blekman F. , Campbell A. , Cardini A. , Cheng C. , Consuegra Rodriguez S. , Eckerlin G. , Eckstein D. , Gallo E. , Guthoff M. , Kleinwort C. , Mankel R. , Maser H. , Mussgiller A. , Nürnberg A. , Petersen H. , Rastorguev D. , Reichelt O. , Rostamvand L. , Schütze P. , Sreelatha Pramod L. , Stever R. , Valieiev T. , Velyka A. , Ventura Barroso A. , Walsh R. , Yakopov G. , Zakharov S. , Zuber A. , Albrecht A. , Antonello M. , Biskop H. , Connor P. , Garutti E. , Haller J. , Jabusch H. , Kasieczka G. , Klanner R. , Kuo C.C. , Kutzner V. , Lange J. , Martens S. , Mrowietz M. , Nissan Y. , Pena K. , Raciti B. , Schaarschmidt J. , Schleper P. , Schwandt J. , Steinbrück G. , Tews A. , Wellhausen J. , Ardila L. , Balzer M. , Barvich T. , Berger B. , Butz E. , Caselle M. , Dierlamm A. , Elicabuk U. , Fuchs M. , Hartmann F. , Husemann U. , Koppenhöfer R. , Maier S. , Mallows S. , Mehner T. , Muller Th. , Neufeld M. , Regnery B. , Rehm W. , Shvetsov I. , Simonis H.J. , Steck P. , Stockmeier L. , Topko B. , Wittig F. , Anagnostou G. , Daskalakis G. , Kazas I. , Kyriakis A. , Loukas D. , Balázs T. , Márton K. , Siklér F. , Veszprémi V. , Bahinipati S. , Das A. , Mal P. , Nayak A. , Pal K. , Pattanaik D.K. , Pradhan S. , Swain S.K. , Bhardwaj A. , Jain C. , Kumar A. , Kumar T. , Ranjan K. , Saumya S. , Tiwari K. , Baradia S. , Dutta S. , Sarkar S. , Behera P.K. , Behera S.C. , Chatterjee S. , Dash G. , Jana P. , Kalbhor P. , Libby J. , Mohammad M. , Pradhan R. , Pujahari P.R. , Saha N.R. , Samadhan K. , Sikdar A.K. , Singh R. , Verma S. , Vijay A. , Cariola P. , Creanza D. , de Palma M. , De Robertis G. , Di Florio A. , Fiore L. , Loddo F. , Margjeka I. , Mastrapasqua V. , Mongelli M. , My S. , Silvestris L. , Albergo S. , Costa S. , Lapertosa A. , Di Mattia A. , Potenza R. , Tricomi A. , Tuve C. , Assiouras P. , Barbagli G. , Bardelli G. , Brianzi M. , Camaiani B. , Cassese A. , Ceccarelli R. , Ciaranfi R. , Ciulli V. , Civinini C. , D'Alessandro R. , Focardi E. , Kello T. , Latino G. , Lenzi P. , Lizzo M. , Meschini M. , Paoletti S. , Papanastassiou A. , Sguazzoni G. , Viliani L. , Cerchi S. , Ferro F. , Robutti E. , Brivio F. , Dinardo M.E. , Dini P. , Gennai S. , Guzzi L. , Malvezzi S. , Menasce D. , Moroni L. , Pedrini D. , Azzi P. , Bacchetta N. , Bortignon P. , Bisello D. , Dorigo T. , Lusiani E. , Tosi M. , Gaioni L. , Manghisoni M. , Ratti L. , Re V. , Riceputi E. , Traversi G. , Baldinelli G. , Bianchi F. , Bilei G.M. , Bizzaglia S. , Caprai M. , Checcucci B. , Ciangottini D. , Di Chiaro A. , Croci T. , Fanò L. , Farnesini L. , Ionica M. , Magherini M. , Mantovani G. , Mariani V. , Menichelli M. , Morozzi A. , Moscatelli F. , Passeri D. , Piccinelli A. , Placidi P. , Rossi A. , Santocchia A. , Spiga D. , Storchi L. , Tedeschi T. , Turrioni C. , Asenov P. , Azzurri P. , Bagliesi G. , Basti A. , Battacharya R. , Beccherle R. , Benvenuti D. , Bianchini L. , Boccali T. , Bosi F. , Bruschini D. , Castaldi R. , Ciocci M.A. , D'Amante V. , Dell'Orso R. , Donato S. , Giassi A. , Ligabue F. , Magazzù G. , Massa M. , Mazzoni E. , Messineo A. , Moggi A. , Musich M. , Palla F. , Prosperi P. , Raffaelli F. , Rizzi A. , Roy Chowdhury S. , Sarkar T. , Spagnolo P. , Tenchini F. , Tenchini R. , Tonelli G. , Vaselli F. , Venturi A. , Verdini P.G. , Bartosik N. , Bashir F. , Bellan R. , Coli S. , Costa M. , Covarelli R. , Demaria N. , Garrafa Botta S. , Grippo M. , Luongo F. , Mecca A. , Migliore E. , Ortona G. , Pacher L. , Rotondo F. , Tarricone C. , Ambrozas M. , Chychkalo N. , Juodagalvis A. , Rinkevicius A. , Ahmad A. , Asghar M.I. , Awais A. , Awan M.I.M. , Khan W.A. , Saleh M. , Sohail I. , Calderón A. , Duarte Campderros J. , Fernandez M. , Gomez G. , Gonzalez Sanchez F.J. , Jaramillo Echeverria R. , Lasaosa C. , Moya D. , Piedra J. , Ruiz Jimeno A. , Scodellaro L. , Vila I. , Virto A.L. , Vizan Garcia J.M. , Abbaneo D. , Abbas M. , Ahmed I. , Albert E. , Allongue B. , Almeida J. , Barinoff M. , Batista Lopes J. , Bergamin G. , Blanchot G. , Boyer F. , Caratelli A. , Carnesecchi R. , Ceresa D. , Christiansen J. , Cianchetta P.F. , Diamantis J.Daguin,A. , Frank N. , French T. , Golyzniak D. , Grygiel B. , Kloukinas K. , Kottelat L. , Kovacs M. , Kristic R. , Lalic J. , La Rosa A. , Lenoir P. , Loos R. , Marchioro A. , Mateos Dominguez I. , Mersi S. , Michelis S. , Nedergaard C. , Onnela A. , Orfanelli S. , Pakulski T. , Papadopoulos A. , Perea Albela F. , Perez A. , Perez Gomez F. , Pernot J.-F. , Petagna P. , Piazza Q. , Robin G. , Scarfì S. , Schleidweiler K. , Siegrist N. , Szidlik P. , Troska J. , Tsirou A. , Vasey F. , Vrancianu R. , Wlodarczyk S. , Zografos A. , Bertl W. , Bevilacqua T. , Caminada L. , Ebrahimi A. , Erdmann W. , Horisberger R. , Kaestli H.-C. , Kotlinski D. , Lange C. , Langenegger U. , Meier B. , Missiroli M. , Noehte L. , Rohe T. , Streuli S. , Androsov K. , Backhaus M. , Becker R. , Bonomelli G. , di Calafiori D. , Calandri A. , Cazzaniga C. , de Cosa A. , Donega M. , Eble F. , Glessgen F. , Grab C. , Harte T. , Hits D. , Lustermann W. , Niedziela J. , Perovic V. , Ristic B. , Roeser U. , Ruini D. , Seidita R. , Sörensen J. , Wallny R. , Bärtschi P. , Bösiger K. , Canelli F. , Cormier K. , De Wit A. , Gadola N. , Huwiler M. , Jin W. , Jofrehei A. , Kilminster B. , Leontsinis S. , Liechti S.P. , Macchiolo A. , Maier R. , Meng F. , Stäger F. , Neutelings I. , Reimers A. , Robmann P. , Sanchez Cruz S. , Shokr E. , Takahashi Y. , Wolf D. , Chen P.-H. , Hou W.-S. , Lu R.-S. , Clement E. , Cussans D. , Goldstein J. , Holmberg M.-L. , Seif El Nasr-Storey S. , Sanjrani S. , Harder K. , Manolopoulos K. , Schuh T. , Tomalin I.R. , Bainbridge R. , Brown C. , Fedi G. , Hall G. , Mastronikolis A. , Parker D. , Pesaresi M. , Uchida K. , Coldham K. , Cole J. , Khan A. , Kyberd P. , Reid I.D. , Bartek R. , Dominguez A. , Simsek A.E. , Uniyal R. , Vargas Hernandez A.M. , Benelli G. , Heintz U. , Hinton N. , Hogan J. , Honma A. , Korotkov A. , Li D. , Luo J. , Narain M. , Pervan N. , Russell T. , Sagir S. , Simpson F. , Spencer E. , Venkatasubramanian N. , Wagenknecht P. , Barton B. , Cannaert E. , Chertok M. , Conway J. , Hemer D. , Jensen F. , Thomson J. , Wei W. , Yohay R. , Zhang F. , Hanson G. , Cooperstein S.B. , Deelen N. , Gerosa R. , Giannini L. , Gu Y. , Guyang J. , Krutelyov S. , Mukherjee S. , Sharma V. , Tadel M. , Vourliotis E. , Yagil A. , Incandela J. , Kyre S. , Masterson P. , Vami T. , Cumalat J.P. , Ford W.T. , Hart A. , Hassani A. , Herrmann M. , Karathanasis G. , Pearkes J. , Savard C. , Schonbeck N. , Stenson K. , Ulmer K.A. , Wagner S.R. , Zipper N. , Zuolo D. , Alexander J. , Bright-Thonney S. , Chen X. , Duquette A. , Fan J. , Fan X. , Filenius A. , Grassi J. , Hogan S. , Kotamnives P. , Lantz S. , Monroy J. , Niendorf G. , Oshiro M. , Postema H. , Reichert J. , Riley D. , Ryd A. , Smolenski K. , Strohman C. , Thom J. , Wittich P. , Zou R. , Bakshi A. , Berry D.R. , Burkett K. , Butler D. , Canepa A. , Derylo G. , Dickinson J. , Ghosh A. , Gonzalez H. , Grünendahl S. , Horyn L. , Johnson M. , Klabbers P. , Lee C. , Lei C.M. , Lipton R. , Los S. , Merkel P. , Nahn S. , Ravera F. , Ristori L. , Rivera R. , Spiegel L. , Uplegger L. , Voirin E. , Zoi I. , Escobar Franco R. , Evdokimov A. , Evdokimov O. , Gerber C.E. , Hawksworth M. , Hofman D.J. , Mills C. , Ozek B. , Roy T. , Rudrabhatla S. , Wadud M.A. , Yoo J. , Blend D. , Bruner T. , Haag M. , Nachtman J. , Onel Y. , Snyder C. , Yi K. , Davis J. , Gritsan A.V. , Kang L. , Kyriacou S. , Maksimovic P. , Roguljic M. , Sekhar S. , Swartz M. , Bean A. , Grove D. , Salvatico R. , Smith C. , Wilson G. , Ivanov A. , Kalogeropoulos A. , Reddy G. , Taylor R. , Bloom K. , Claes D.R. , Haza G. , Hossain J. , Joo C. , Kravchenko I. , Siado J. , Hsia H.W. , Iashvili I. , Kharchilava A. , Nguyen D. , Rappoccio S. , Rejeb Sfar H. , Cholak S. , DeCastro G. , Demiragli Z. , Fangmeier C. , Fulcher J. , Gastler D. , Golf F. , Jeon S. , Rohlf J. , Li J. , McCarthy R. , Parker A. , Skinnari L. , Hahn K. , Liu Y. , McGinnis M. , Monk D. , Noorudhin S. , Taliercio A. , Basnet A. , De Los Santos R. , Hill C.S. , Joyce M. , Winer B. , Yates B. , Malik S. , Sharma R. , Chawla R. , Jones M. , Jung A. , Koshy A. , Liu M. , Negro G. , Schulte J.-F. , Thieman J. , Zhong Y. , Dolen J. , Parashar N. , Pathak A. , Agrawal A. , Ecklund K.M. , Nussbaum T. , Demina R. , Dulemba J. , Herrera Flor A. , Hindrichs O. , Gadkari D. , Gershtein Y. , Halkiadakis E. , Kurup C. , Lath A. , Nash K. , Osherson M. , Saha P. , Schnetzer S. , Stone R. , Ally D. , Fiorendi S. , Harris J. , Holmes T. , Lee L. , Nibigira E. , Spanier S. , Eusebi R. , D'Angelo P. , Johns W. ,   The Tracker Group of the CMS Collaboration
Published: October 2024

Abstract
A new tracking detector will be installed as part of the
Phase-2 upgrade of the CMS detector for the high-luminosity LHC era.
This tracking detector includes the Inner Tracker, equipped with
silicon pixel sensor modules, and the Outer Tracker, consisting of
modules with two parallel stacked silicon sensors. The Outer Tracker
front-end ASICs will be able to correlate hits from charged
particles in these two sensors to perform on-module discrimination
of transverse momenta (p
T). The p
T
information is generated at a frequency of 40 MHz and will be used
in the Level-1 trigger decision of CMS. Prototypes of the
so-called 2S modules were tested at the Test Beam Facility at DESY
Hamburg between 2019 and 2020. These modules use the final
front-end ASIC, the CMS Binary Chip (CBC), and for the first
time the Concentrator Integrated Circuit (CIC), optical readout
and on-module power conversion. In total, seven modules were tested,
one of which was assembled with sensors irradiated with protons. An
important aspect was to show that it is possible to read out modules
synchronously. A cluster hit efficiency of about 99.75 % was
achieved for all modules. The CBC p
T discrimination
mechanism has been verified to work together with the CIC and
optical readout. The measured module performance meets the
requirements for operation in the upgraded CMS tracking detector.