Measurement of the fractional radiation length of a pixel module for the CMS Phase-2 upgrade via the multiple scattering of positrons
Authors: Adam W. , Bergauer T. , Damanakis K. , Dragicevic M. , Frühwirth R. , Steininger H. , Beaumont W. , Darwish2,3 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. , Jakovcic K. , 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. , Dey T. , 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. , Adelmann A. , Bertl W. , Bevilacqua T. , Caminada L. , Daum M. , Ebrahimi A. , Erdmann W. , Horisberger R. , Kaestli H.-C. , Kirch K. , Knecht A. , Kotlinski D. , Lange C. , Langenegger U. , Meier B. , Missiroli M. , Noehte L. , Papa A. , Rohe T. , Sakurai M. , Schmidt-Wellenburg P. , Streuli S. , Androsov K. , Backhaus M. , Becker R. , Bonomelli G. , di Calafiori D. , Calandri A. , de Cosa A. , Donega M. , Eble F. , Glessgen F. , Grab C. , Harte T. , Hits D. , Koch S. , 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. , Sanjrani S. , Harder K. , Manolopoulos K. , Schuh T. , Shepherd-Themistocleous C. , 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. , 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
High-luminosity particle collider experiments such as the
ones planned at the High-Luminosity Large Hadron Collider require
ever-greater vertexing precision of the tracking detectors,
necessitating reductions in the material budget of the detectors.
Traditionally, the fractional radiation length (x/X
0) of
detectors is either estimated using known properties of the
constituent materials, or measured in dedicated runs of the final
detector. In this paper, we present a method of direct measurement
of the material budget of a CMS prototype module designed for the
Phase-2 upgrade of the CMS detector using a 40–65 MeV positron
beam. A total of 630 million events were collected at the Paul
Scherrer Institut PiE1 experimental area using a three-plane
telescope consisting of the prototype module as the central plane,
surrounded by two MALTA monolithic pixel detectors. Fractional
radiation lengths were extracted from scattering angle distributions
using the Highland approximation for multiple scattering. A
statistical technique recovered runs suffering from trigger
desynchronisation, and several corrections were introduced to
compensate for local inefficiencies related to geometric and beam
shape constraints. Two regions of the module were surveyed and
yielded average x/X
0 values of (0.72 ± 0.05)% and
(0.95 ± 0.09)%, which are compatible with empirical estimates
for these regions computed from known material properties of 0.753%
and 0.892%, respectively. Two types of higher-granularity maps of
the fractional radiation length were produced, subdivided either
into rectangular regions of uniform size, or polygonal-shaped
regions of uniform material composition. The results bode well for
the CMS Phase-2 upgrade modules, which will play a key role in the
minimisation of the material of the upgraded detector.