La rivelazione dei muoni risulta centrale nell’esperimento CMS per riconoscere la segnatura di processi fisici importanti a LHC. Il sistema muonico ha come obiettivo l’identificazione dei muoni, la misura del momento e della carica dei muoni e il trigger. La buona risoluzione in impulso dei muoni e la capacit`a di trigger sono permessi dall’alto campo magnetico solenoidale e dal flusso di ritorno nel giogo di ferro (quest’ultimo serve anche come assorbitore di adroni per identificare i µ). In figura 2.19 `e mostrato l’andamento dello spessore attraversato dai muoni in funzione della pseudorapidit`a [24].
CMS utilizza 3 tipi di rivelatori a gas per identificare i muoni, ha una forma cilindrica lungo il barrel, dettata dalla struttura del solenoide, e due regioni planari nell’endcap, e ricopre un’area di 25000 m2 con i suoi rivelatori.
Nel barrel, per |η| < 1.2, sono usate celle rettangolari con tubi a velocit`a di deriva, chiamate drift tube chambers (DT), a causa del basso flusso di muoni e neutroni di fondo e del campo magnetico uniforme. Sono organizzate in 4 stazioni, inter-vallate da strati di ferro che costituiscono il giogo del flusso di ritorno del campo magnetico. Le prime 3 stazioni contengono 8 camere, in 2 gruppi di 4, che misura-no la coordinata del muone nel piamisura-no r − φ, ben separate per fornire una migliore risoluzione angolare, e 4 camere che misurano la coordinata z (ad eccezione della quarta). Tutte le celle sono sfasate di met`a rispetto a quella vicina per evitare punti morti nell’efficienza.
Figura 2.19: Spessore del materiale in lunghezze di interazione a varie profondit`a, in funzione di η.
magnetico, vengono utilizzati rivelatori a strisce catodiche, chiamate cathode strip chamber (CSC). Ricoprono una regione 0.9 < |η| < 2.4 e presentano una segmen-tazione fine, una buona resistenza alla radiazione e una veloce risposta temporale. Ci sono 4 stazioni di CSC in ogni endcap, perpendicolari al fascio e intervallate da strati di ferro per il flusso di ritorno, che forniscono una misura precisa nel piano r− φ.
Una caratteristica importante dei DT e CSC `e che possono funzionare da trigger per il pT dei muoni con buona efficienza e alta reiezione del fondo, in modo indi-pendente dal resto del rivelatore.
A causa dell’incertezza nel flusso di particelle di fondo e nella capacit`a di misu-rare il tempo di beam crossing quando LHC raggiunge elevate luminosit`a, sono state installate camere a piastre resistive, resistive plate chamber (RPC), sia nel barrel sia nell’endcap. Gli RPC ricoprono una regione |η| < 1.6 e forniscono un trigger veloce e indipendente, operando nella regione di moltiplicazione a valanga per mantenere buone prestazioni ad elevati flussi di particelle. Hanno una buona risoluzione temporale, ma una peggiore risoluzione spaziale rispetto agli altri due rivelatori. Nel barrel sono presenti sei strati di RPC, 2 in ognuna delle prime due stazioni, e una nelle ultime due. Negli endcap c’`e un piano in ciascuna delle 3 stazioni, affinch´e il trigger utilizzi la coincidenza delle stazioni per ridurre il fondo e migliorare la risoluzione temporale e in impulso trasverso.
Figura 2.20: Disposizione del sistema muonico lungo rz. Le Drift Tube
La regione del barrel `e costituita da 250 camere con tubi a deriva, organizzate come gi`a detto, in quattro stazioni, dette MB1, MB2, MB3 e MB4. Il cilindro `e tagliato trasversalmente in modo da formare cinque ruote dette YB-2,...,YB+2, dove YB-2 `e la ruota a pi`u basso z. Le singole stazioni si trovano a 4.0, 4.9, 5.9 e 7.0 m dall’asse del fascio e sono divise in 12 spicchi. Ci sono 12 camere di rivelazione dei muoni in ogni cilindro, tranne nel quarto che ne ha 14, essendo i due rivelatori in alto e in basso divisi in due (figura 2.21 ). Ogni camera nelle tre stazioni pi`u interne `e composta di 12 strati di DT divisi in tre gruppi di 4 strati rettangolari consecutivi detti SuperLayer (SL). In figura 2.22 `e possibile vedere la loro struttura. I due gruppi pi`u estremi servono per la misura dell’angolo φ (fili disposti parallelamente al fascio e separati di 23 cm per ottimizzare la risoluzione angolare), mentre il gruppo centrale per la misura di z (fili perpendicolari al fascio). La dimensione trasversa di una singola cella `e di 21 mm, corrispondente ad un tempo di deriva di 380 ns. Il gas contenuto in una cella `e una miscela di argon (85%) e anidride carbonica (15%). Infine la risoluzione spaziale per singolo tubo `e di 250 µm, quella globale in r − φ 100 µm.
The Hardware Muon Track Finder Processor in CMS - Specification and Method
INTRODUCTION
This note concentrates on specification and applied track
finding method of the muon trigger track finder. A detailed
description of the algorithm and a VHDL model representing
the algorithm is presented in [1]. Prototype and final hardware
implementation are covered in [2].
The muon detector fulfills three basic tasks: muon
identification, trigger, and momentum measurement. The muon
detector is placed behind the calorimeters and the magnet coil.
It consists of four muon stations interleaved with the iron return
yoke plates. A system of drift tubes (DT) [3] is applied in the
barrel region, while cathode strip chambers (CSC) cover the
forward region. In addition resistive plate chambers (RPC)
cover the entire muon detector [4].
The barrel part of the detector is divided in five wheels in
z-direction and twelve 30˚ sectors, resulting in 60 (!") detector
segments (see left part of fig. 2). Each sector comprises four
measuring stations, MS1 to MS4. Every station contains one or
two modules of drift tubes. The maximum drift time of the drift
tube chambers is about 400 ns or 16 bx.
A drift tube cell has a cross section of 4 cm x 1.1 cm. A
spatial resolution of about 200 µm is achieved. The total
number of wires is about 200.000. Fig. 1. illustrates the
arrangement of the drift tubes. A chamber consists of twelve
layers of drift tubes arranged in three superlayers of four planes
each. The tubes within a superlayer are staggered by half the
width of a tube. The outer two superlayers (r"), whose wires are
parallel to the z-axis, measure the "-coordinate in the bending
plane. The middle superlayer (rz) measures the z-coordinate
along the beam line. However, in the present design this plane
is not used in the track finder. The chambers are 2.56 m long
and the width increases from 2 m in the inner station to 4 m in
the outer station.
In the endcap regions the muon detector comprises four
muon stations [4]. Muon stations are mounted vertically. Each
muon station contains cathode strip chambers. Effort is being
made to design a track finder system capable of processing data
from both the drift tube system and the cathode strip chamber
system. However, in this paper only the evaluation of the drift
tube chamber data is discussed.
TRACK FINDER
PROCESSOR
ENVIRONMENT
The CMS muon trigger comprises three main components;
the pattern comparator trigger (PACT) [4,5,6] based on resistive
plate chambers (RPC), track finder processor (TF) based on
drift tube chambers (DT) and possibly cathode strip chambers
(CSC) and the global muon trigger. A detailed block diagram of
the L1 trigger is shown in fig. 2.
DT- and CSC-trigger primitive generators first process the
information of the chamber locally. For the drift tubes up to two
track segments (position and angle, see fig 3.a, b) per muon
chamber are delivered. For the CSCs the number of trigger
primitives per logical sector is still under discussion. Track
segments from different stations are collected by the track
finder.
The task of the track finder processor is to find muon tracks
originating from the interaction point and to measure transverse
momentum pt and their location in " and !.
The transverse momentum pt is assigned. The track finder
selects the four highest pt muons in the detector and forwards
them to the global muon trigger.
The DT-chamber system is divided into twelve "-segments,
five wheels in z-direction and four stations in r-direction (see
left part of fig. 2). Thus the entire system comprises
12 x 5 x 4 = 240 chambers. Hence 480 track segments are
delivered to the regional drift tube trigger, the track finder.
" z r 2.56m drift cell
}
s u p e r la y e r}
s u p e r la y e r}
s u p e r la y e r 4cm 2cmFig. 1.: Three superlayers form a drift tube station.
!= f ( z ) " CSC CALO DT CSC CALO DT tra ck f ind er CALO glo ba l tri gg er
data pipeline
chamber trigger primitive generator muon system
FIR
ST
LE
VE
L T
RIG
GE
R
to high level trigger
yes/no info
regional trigger global trigger
RPC
RPC RPC
Fig. 2.: Block diagram of CMS first level trigger.
Figura 2.22: Schema di una SuperLayer in CMS.Le Cathode Strip Chamber
In entrambi gli endcap le CSC sono disposte su quattro stazioni montate su dischi perpendicolari al fascio, dette ME1, ME2, ME3 e ME4, per un totale di 468 CSC. Ogni disco `e diviso in due anelli concentrici tranne il primo diviso in tre. Ogni anello ha 36 camere per muoni, tranne per ME2/1, ME3/1 e ME4/1, che ne hanno 18. Tutte le camere (tranne la ME1/3) sono sistemate in modo tale da sovrapporsi lungo φ, evitando zone morte e inefficienti.
Le CSC sono camere a multifilo, di forma trapezoidale , con sei strati di rivelatori a gas (sei piani anodici intervallati da sette piani catodici). I piani forniscono una misura della coordinata φ, mentre i fili misurano la coordinata r. La misura precisa dell’angolo azimutale `e data calcolando il baricentro delle cariche indotte sulle strisce al passaggio di un muone. Le camere sono grandi fino a 3.4×1.5 m2, il volume totale del gas `e maggiore di 50 m3 e il numero di fili `e circa 2 milioni. La risoluzione spaziale per ogni camera `e 200 µm (100 per ME1/1), quella angolare `e ∆φ ≈ 10 mrad. In figura 2.23a `e riportato l’esempio della struttura di una CSC, in 2.23b il principio di funzionamento di una CSC e la rivelazione di un muone. Le Resistive Plate Chamber
Le RPC sono rivelatori con due piastre parallele di bachelite, ad alta resistivit`a ricoperti da uno strato di grafite per formare gli elettrodi: un anodo carico posi-tivamente e un catodo negativo. I due sono separati da un volume di gas, che `e
(a) (b)
Figura 2.23: (a) Schema di una CSC. (b) Funzionamento di una CSC. una miscela fatta dal 96.2 % di C2H2F4, 3.5% di C4H10 e 0.3% si SF6. Le RPC sono posizionate back-to-back cos`ı da formare una doppia gap (figura 2.24 ). Le RPC operano in regime di valanga e il segnale indotto `e la somma dei due segnali nei singoli gap, grazie alla presenza dell’elettronica di lettura nel mezzo.
Le RPC hanno un’ottima risoluzione temporale, che consente di fornire un se-gnale ditrigger anche in presenza di un elevato numero di particelle. Nel barrel sono posizionati sei strati di RPC, per un totale di 480 camere. Due strati sono posizionati sia nella prima sia nella seconda stazione, montate lasciando al centro le camere dei drift tube. Mentre gli ultimi due strati appartengono alle due ultime stazioni. Negli endcap le RPC formano tre stazioni, poste su tre anelli concentrici.