Titelaufnahme

Titel
Studies for the commissioning of the CERN CMS silicon strip tracker / Christoph Bloch
VerfasserBloch, Christoph
Begutachter / BegutachterinFabjan, Christian
Erschienen2007
UmfangXII, 174 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)CMS / Teilchenspurendetektor / TOB
Schlagwörter (EN)CMS / Tracker / TOB
Schlagwörter (GND)LHC / CMS-Detektor / Streifendetektor / Ausleseverfahren <Sensortechnik>
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-19231 Persistent Identifier (URN)
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Studies for the commissioning of the CERN CMS silicon strip tracker [6.88 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der Large Hadron Collider (LHC) wird 2008 in Betrieb genommen, womit Proton-Proton Kollisionen in einem nie zuvor erreichten Energiebereich möglich werden. Eines der Hauptexperimente ist der Compact Muon Solenoid (CMS), ein Vielzweck-Detektor, der optimiert wurde für die Suche nach dem Higgs Boson und supersymmetrischen Teilchen. Für solche Entdeckungen ist der CMS-Detektor auf ein hochpräzises Spurenerkennungssystem angewiesen. Dieses Spurenerkennungssystem besteht aus einem Pixeldetektor und dem größten jemals gebauten Silizium-Streifen-Detektor. Um einen derart komplexen Detektor wie den CMS Silizium-Streifen-Detektor erfolgreich betreiben und sein gesamtes Potential ausschöpfen zu können, müssen die instrumentalen Eigenschaften so genau wie möglich bestimmt und die zugehörige Rekonstruktionssoftware mit physikalischen Daten getestet werden. Eine Reihe von Parametern des Arbeitsverhaltens müssen untersucht werden, um den Detektor erfolgreich in Betrieb zu nehmen. Einige dieser Eigenschaften sind relevant für den gesamten Spurendetektor, während andere spezifisch für das Tracker Outer Barrel (TOB) sind:

- Die Zeitentwicklung der Signale der Ausleseelektronik muss genau gemessen werden und korrekt simuliert werden, da sie kritische Parameter, wie die Okkupanz und das Datenvolumen, beeinflussen.

- Eine eventuelle Kopplung der Auslesekanäle, muss bestimmt werden, da sie zur Clustergröße beiträgt, und somit Einfluss auf die Ortsauflösung und die Okkupanz hat.

- Die Subkomponenten des TOB, "Rods", bestehen hauptsächlich aus Kohlefaser-Elementen, an die Aluminiumeinsätze geklebt werden, die eine effizienten Wärmeaustausch zwischen den Siliziumdetektoren und dem dünnen Kühlrohr aus einer Kupfer-Nickel-Legierung gewährleisten. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Materialien können jedoch zu thermischen Spannungen in der Struktur führen, wenn diese auf die Arbeitstemperatur des Spurendetektor (-10C) heruntergekühlt wird. Eine genaue Untersuchung dieser Effekte und der geometrischen Präzision der Rods, sind wichtige Informationen für die Spurenrekonstruktion bei CMS.

Diese und weitere Punkte werden in der vorliegenden Arbeit untersucht.

Dafür wurde ein großer Testaufbau, der für die Aufzeichnung von Spuren kosmischer Myonen ausgelegt ist, mehrere Monate lang betrieben. Es wurden Daten sowohl bei Raumtemperatur als auch bei der nominellen Arbeitstemperatur des CMS Spurendetektor von -10C aufgezeichnet. Diese Daten wurden benutzt, um die Rekonstruktions- und Alignierungsalgorithmen für den Spurendetektor zu testen; ferner um die mechanische Präzision der Rods und das Verhalten bei verschiedenen Temperaturen zu studieren.

Zusammenfassung (Englisch)

In 2008 the Large Hardon Collider (LHC) at CERN will start producing proton proton collisions of unprecedented energy. One of its main experiments is the Compact Muon Solenoid (CMS), a general purpose detector, optimized for the search of the Higgs boson and super symmetric particles. The discovery potential of the CMS detector relies on a high precision tracking system, made of a pixel detector and the largest silicon strip Tracker ever built.

In order to operate successfully a device as complex as the CMS Silicon Strip Tracker, and to fully exploit its potential, the properties of the hardware need to be characterized as precisely as possible, and the reconstruction software needs to be commissioned with physics signals. A number of issues were identified and studied to commission the detector, some of which concern the entire Tracker, while some are specific to the Tracker Outer Barrel (TOB):

- the time evolution of the signals in the readout electronics need to be precisely measured and correctly simulated, as it affects the expected occupancy and the data volume, critical issues in high-luminosity running; - the electronics coupling between neighbouring channels affects the cluster size and hence the hit resolution, the tracking precision, the occupancy and the data volume; - the mechanical structure of the Rods (the sub-assemblies of the TOB) is mostly made of carbon fiber elements; aluminum inserts glued to the carbon fiber frame provide efficient cooling contacts between the silicon detectors and the thin cooling pipe, made of a copper-nickel alloy; the different thermal expansion coefficients of the various components induce stresses on the structure when this is cooled down to the operating temperature, possibly causing small deformations; a detailed characterization of the geometrical precision of the rods and of its possible evolution with temperature is a valuable input for track reconstruction in CMS. These and other issues were studied in this thesis. For this purpose, a large scale test setup, designed to study the detector performance by tracking cosmic muons, was operated over several months. A dedicated trigger system was set up, to select tracks synchronous with the fast readout electronics, and be able to perform a precise measurement of the time evolution of the front-end signals. Data collected at room temperature and at the Tracker operating temperature of -10C were used to test reconstruction and alignment algorithms for the Tracker, as well as to perform a detailed qualification of the geometry and the functionality of the structures at different temperatures.