LHC'de CMS ileri bölgesi için dedektör sistemlerinin geliştirilmesi
Development of detector systems for CMS forward region at LHC
Yazar: BERKAN KAYNAK
Danışman: PROF. DR. SUAT ÖZKORUCUKLU ; DR. JOACHİM BAECHLER
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın (LHC) ileri bölgelerini dedektörlerle donatmak zordur çünkü bu bölgelerdeki aşırı koşullar dedektörlere zorlu gereksinimler yüklemektedir. Bu gerekliliklerden bazıları dedektörlerin malzeme yapısıyla ilgiliyken, diğerleri bu zorlu çevre koşullarındaki işlevsellikleriyle ilgilidir. Bu bölgelerdeki etkileşimlerin yönlerine yakın ışınların etkileşimindeki aşırı yüksek parçacık oranları nedeniyle, dedektörler radyasyon etkilerine karşı yüksek dirençli olmalı, aynı zamanda yüksek okuma hızları ile mükemmel zaman çözünürlüğü yeteneklerine sahip olmalıdır.
CMS kabul edilebilirliği ileri bölgede üç kalorimetre sistemi ile genişletilmiştir (merkezi bölge $|\eta|\leq 3$ ile sınırlıdır). Bunlar Hadronic Forward (HF, $3.0 <|\eta|< 5.2$), CASTOR ($-5.2 > \eta > -6.6$) ve Zero Degree (ZDC, $|\eta|>8$)~\cite{RN1008} kalorimetreleridir. Her üç ileri dedektör seti de soğurucu bloklar arasına yerleştirilmiş kuvars fiberlerden veya plakalardan yapılmış Cherenkov radyatörleri~\cite{RN22} kullanılarak inşa edilmiştir. LHC'de CMS'nin bulunduğu aynı kesişim noktasında (IP5), üç alt dedektörden oluşan TOTEM deneyi~\cite{RN212}, ileri hadronik olayları, özellikle elastik pp saçılma ve kırınım süreçlerini tespit etmeyi amaçlamaktadır. Bunlar, CMS ileri bölgesine yerleştirilmiş T1 ve T2 olmak üzere iki izleme dedektörü ve IP5'in her iki tarafında 203 ila 220 metre arasında bulunan dört istasyondan oluşan Roma Pot (RP) sistemleridir. RP'ler, içlerindeki dedektör paketlerini sabit ışın hattından milimetrik mesafelere getirebilen hareketli ışın borularıdır. CMS ve TOTEM kurulumlarının kombinasyonu, özellikle $pp -> p + X + p$ gibi kırınım süreçleri olmak üzere çeşitli proton ve nükleer etkileşim olaylarını incelemek için çok uygun olan olağanüstü geniş bir $\eta$ aralığı sağlar. Precise Proton Spectrometer (PPS)~\cite{RN28} olarak adlandırılan CMS + TOTEM projesi, normal LHC çalışma koşulları altında (yüksek parlaklık, düşük $\beta^{\ast}$) düşük tesir kesitli süreçlerin hassas ölçümlerini mümkün kılmaktadır.
Deneysel zorluklar temel olarak demet geçişi başına çoklu pp etkileşimleri, yüksek yığılma ve LHC ışın hattına yakın kritik radyasyon seviyesi bölgesinde çalışan dedektörlerle ilgilidir. RP'lerdeki dedektörler radyasyona dayanıklı olmalı ve ilişkili etkileşim noktalarını seçerek yığılma etkilerini azaltmak için öncü protonların hassas uçuş süresi ölçümünü sağlamalıdır. Yüksek çözünürlüklü fotodedektörlerle birleştirilmiş Cherenkov kuvars dedektörleri düşünülmüştür ve bu malzemelerin radyasyondan minimum düzeyde etkilendiği bilinmektedir~\cite{DUMANOGLU2002444}. Ayrıca, bu tür dedektörler son derece hassas zaman çözünürlüğü ile çok hızlı sinyaller üretir. Işın testlerindeki tek kanallı prototiplerden elde edilen ön sonuçlar~\cite{Albrow_QUARTIC, RN1009} cesaret vericidir ve önemli bir gelişme potansiyeline sahiptir~\cite{RN1011}.
RP'lerde mevcut olan sınırlı alan ve ışın borusu yakınındaki malzeme bütçesini en aza indirme ihtiyacı, çok katmanlı konfigürasyonlara yerleştirilebilen ve çoklu ölçümlerle zaman çözünürlüğünü azaltan elmas dedektörler ~\cite{RN38} gibi katı hal cihazlarının kullanılmasını sağlar. Bu dedektörler 2017 ve 2018'de CMS çalışma koşulları altında kullanıldı ve Run3 sırasında kullanılmak üzere Uzun Kapatma 2 (LS2) sırasında geliştirildi. 
Buna ek olarak, TOTEM deney geliştirme programının bir parçası olarak, T2 dedektörünün eski GEM dedektörünün düşük sintilatör tabanlı yeni bir T2 (nT2) dedektörü ile değiştirilmesi önerilmiştir. Önerilen bu nT2 dedektörü, düşük parlaklıkta en yüksek LHC enerji Run'ları ile elastik olmayan proton-proton çarpışmalarının oranını ölçmek için tasarlanmıştır. nT2 dedektörünün en yüksek kütle merkezi çarpışmalarında elastik olmayan olayların \%90'ını tespit ederek elastik olmayan çarpışma oranlarının ve toplam tesir kesitinin~\cite{RN1012} daha hassas bir şekilde ölçülmesini sağlaması beklenmektedir.
Bu çalışma, radyasyon direnci ve zaman çözünürlüğü gibi özellikleri içeren CMS ileri bölgesine uyarlanmış dedektör sistemleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. Simülasyonlar ve deneysel testler, optik radyatör malzemeleri, hızlı fotodedektörler, yarı iletken cihazlar ve veri işleme ve toplama için elektronik sistemler dahil olmak üzere optimum teknolojileri seçmek için planlanmaktadır. Bu çalışma, özellikle elmas dedektörler ve Cherenkov sayaçları için sinyal özelliklerinin zaman çözünürlüğünü incelemeyi ve iyileştirmeyi, ayrıca nT2 dedektörünün yapımı ve tasarımı için en uygun koşulları oluşturmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmalar sonucunda elektronik zincirlerin tasarımının iyileştirilmesi, sinyal-gürültü oranının optimize edilmesi ve kalibrasyon yöntemlerinin geliştirilmesi mümkün olacaktır. Ayrıca özel test demeti çalışmalarının hazırlanması ve LS2 sonrası PPS alt dedektöründe kullanılması planlanan dedektör paketlerinin test edilmesini kapsamaktadır.

Abstract:
It is difficult to equip the forward regions of the Large Hadron Collider (LHC) with detectors because the extreme conditions in these regions impose demanding requirements on the detectors. Some of these requirements pertain to the material properties of the detectors, while others involve their functionality in these harsh environments. Due to the extremely high particle rates along the beam direction and the high occupancy in these regions, detectors must exhibit high resistance to radiation damage while efficiently managing large occupancy rates. Additionally, excellent time resolution is crucial for distinguishing individual collision events, as increasing pile-up in the high-luminosity conditions of the LHC leads to overlapping interactions. This is further coupled with the need for fast readout speeds to ensure accurate and efficient data collection in such intense environments.
The CMS acceptance has been expanded in the forward region with three calorimeter systems (central region limited to $|\eta|\leq 3$). These are the Hadronic Forward (HF, $3.0 <|\eta|< 5.2$), CASTOR ($-5.2 > \eta > -6.6$), and Zero Degree (ZDC, $|\eta|>8$)~\cite{RN1008} calorimeters. All three forward detector sets have been constructed using Cherenkov radiators~\cite{RN22} made of quartz fibers or plates placed between absorber blocks. At the same interaction point (IP5) where CMS is located in the LHC, the TOTEM experiment~\cite{RN212}, consisting of three sub-detectors, aims to detect forward hadronic events, particularly elastic proton-proton (pp) scattering and diffraction processes. These sub-detectors include the Roman Pot (RP) systems, which house both tracking and timing detectors to measure protons scattered at small angles, and the T1 and T2 inelastic telescopes, located in the CMS forward region to detect charged particles from inelastic collisions. In addition, four RP stations are placed between 203 and 220 meters on either side of IP5, allowing for precise detection of leading protons at very small angles. RPs are movable beam pipe insertions that can bring the detector packages inside them to millimeter distances from the beam center. The combination of CMS and TOTEM installations provides an exceptionally wide $\eta$ range, which is very suitable for studying a variety of proton and nuclear interaction phenomena, particularly diffraction processes such as $pp -> p + X + p$. The CMS + TOTEM project, called the Precision Proton Spectrometer (PPS)~\cite{RN28}, enables precise measurements of low cross-section processes with leading protons under normal LHC operating conditions (high luminosity, low $\beta^{\ast}$).
Experimental challenges are mainly related to multiple pp interactions per bunch crossing, i.e. high pile-up, and detectors working in the critical radiation level region close to the LHC beamline. Detectors within the Roman Pots (RPs) should be radiation-resistant and capable of providing precise time-of-flight measurements of leading protons, helping to reduce pile-up effects by selecting interaction vertices associated with specific collisions. Cherenkov quartz detectors combined with high-resolution photodetectors have been considered, as these materials are known to be minimally affected by radiation~\cite{DUMANOGLU2002444}. Additionally, these detectors produce very fast signals with extremely high time resolution. Preliminary results from single-channel prototypes tested in beam tests~\cite{Albrow_QUARTIC, RN1009} are encouraging and show significant potential for further improvement~\cite{RN1011}.
The limited space available in RPs and the need to minimize the material budget near the beam pipe enable the use of solid-state devices such as diamond detectors~\cite{RN38}, which can be accommodated in multilayer configurations and reduce time resolution with multiple measurements. These detectors were used under CMS operating conditions in 2017 and 2018, and developed during Long Shutdown 2 (LS2) for use during Run3. 
In addition, as part of the TOTEM experiment development program, the old GEM T2 telescope was replaced with a scintillator-based new T2 (nT2) detector. This nT2 detector was designed to measure the rate of inelastic proton-proton collisions during the highest-energy LHC runs at low luminosity. It successfully detected more than 90\% of inelastic events in high center-of-mass energy collisions, enabling more precise measurements of inelastic collision rates and the total cross-section~\cite{RN1012}.
This study aimed to develop detector systems adapted to the CMS forward region, incorporating properties such as radiation resistance and time resolution. Simulations and experimental tests were conducted to select optimum technologies, including optical radiator materials, fast photodetectors, semiconductor devices, and electronic systems for data processing and collection. Specifically, the study focused on examining and improving signal quality and time resolution for diamond detectors and Cherenkov counters, as well as establishing optimal conditions for the construction and design of the nT2 detector. As a result of these efforts, the design of electronic chains was improved, the signal-to-noise ratio was optimized, and calibration methods were developed. Additionally, special test beam studies were prepared, and detector packages were tested for their use in the PPS sub-detector for Run 3.