Upload
others
View
12
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Upgrade of the ATLAS Muon Spectrometer forOperation at the HL-LHC
Oliver Kortner
on behalf of the ATLAS muon collaboration
Max-Planck-Institut fur Physik, Munich
February 18, Vienna Conference on Instrumentation 2016
The roadmap to High-Luminosity LHC
Plan to increase the LHC luminosity by an order of magnitude.
Increase of the particle fluxes/rates by an order of magnitude from the
LHC to the HL-LHC requires a major detector upgrade.
Muon spectrometer upgrade in two steps during long shut downs 2 and 3.
22
2
Physics motivation for the HL-LHC
Study of the electroweak symmetry breaking
Precision measurements of Higgs boson couplings and spin-CP quantum
numbers as a probe for physics beyond the Standard Model.
Search for deviations from the Standard Model and for rare and invisible
Higgs decays.
3-4 times higher sensitivity in direct searches for additional Higgs
bosons than the LHC.
Search for sypersymmetric particles
Much larger are area of SUSY parameter space accessible at the
HL-LHC than the LHC.
If SUSY is found at the LHC, the HL-LHC is needed to study its exact
nature.
Model independent search for heavy resonances (di-jet, di-photon ``, tt)
4 times higher sensitivity to heavy resonances at the HL-LC than the
LHC.
Search for dark matter
2 times higher sensitivity in direct dark matter searches at the HL-LHC
than the LHC.
33
3
The ATLAS muon spectrometer at the LHC
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
���
����������
����������
�����
�����
����������������������������������������
����������������������������������������
�������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
���������������������������������������
���������������������������������������
�����
�����
�����
�����
Barrel magnet coil
CSC
trigger chambers
TGC RPC trigger chambers
Precision MDT muon chambersµ
µ
z [m]2010 1550
5
0
10
y [m]
magnet
End−cap
CSC
Fast trigger chambers: RPC, TGC
(<10 ns time resolution, moderate spatial resolution ∼mm-cm ).
High-resolution tracking detectors: CSC, MDT (40 µm spatial resolution ).
Optical alignment system with 50 µm resolution.
Pseudorapidity coverage: |η| <2.7.
44
4
The ATLAS 1st level muon trigger in LHC run I
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������
����������
����������
�����
�����
����������������������������������������
����������������������������������������
�������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
���������������������
����
�����
�����
�����
Big
wheel
µ
10 1550
5
0
10
y [m]
z [m]
Measure of momentum
µ
Measure of momentum
p
wheel
Small
ATLAS uses as 3-level trigger system.
The level-1 high pT muon trigger built out of a coincindence of three
RPCs in the barrel or three TGCs in the big end-cap wheel.
Muon momentum estimate from the size of the deviation of hits from an
infinite momentum track from the interaction point.
55
5
Sources of 1st level muon triggers in LHC run I
Low p muonsT
L1 10 GeV muon trigger
matched to reconstructed muon
Tmatched to p >10 GeV muon
Fakes
BarrelEnd−cap C End−cap A
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������
����������
����������
�����
�����
����������������������������������������
����������������������������������������
�������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
���������������������
����
�����
�����
�����
Big
wheel
Fake high−p
muon triggerT
µ
10 1550
5
0
10
y [m]
z [m]
Measure of momentum
µ
p
wheel
Small
Muon trigger rate dominated by fake triggers in the end-caps caused by
charged particle not emerging from the interaction point.
Real muon triggers contaminated with sub-pT-threshold muon due to the
reduced momentum resolution caused by the moderate spatial resolution
of the trigger chambers.
66
6
The ATLAS muon spectrometer at the HL-LHC
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
���
����������������
����������������
����������
����������
�����
�����
���������������������������������������
���������������������������������������
�����
�����
�����
�����
small wheel
Newtagger
High−η
TGCs with
higher
resolution
sMDT
chambers
Barrel magnet coil
TGC RPC trigger chambers
Precision MDT muon chambersµ
µ
z [m]2010 1550
5
0
10
y [m]
trigger chambers
sTGCs MicroMegas
RPCs
Thin−gapmagnet
End−cap
�����������������������������������
�����������������������������������
����
����
������
������
����
����
�������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
New small wheel with high-resolution trigger chambers to reject fake
muon triggers and improve momentum resolution at trigger level.
New TGCs with higher resolution to cope with background at |η| ∼ 2.7.
New thin-gap RPCs to close acceptance gaps of the barrel muon trigger.
New sMDT chambers to free space for new RPCs.
High-η tagger to identify muons up to |η| = 4.0.
+ New on- and off-chamber electronics for new trigger architechture.
77
7
New small end-cap wheels
Extrapolated hit rates
Distance from beam line [cm]100 150 200 250 300 350 400 450
]2C
ount
ing
rate
[kH
z/cm
0
1
2
3
4
5
6
7
8
CSC
MDT
Ratecapability limits
ATLAS
-2cm-1 s34L=7x10
The ATLAS muon spectrometer is operated
in a large background of neutrons and γ rays.
At the HL-LHC the background rates in the
present small wheels would exceed the rate
capabilities of the CSC and MDT chambers.
⇒ New small wheels with chambers with
increased high-rate capability:
Small strip TGCs (sTGCs) for triggering,MicroMegas for triggering and precisiontracking.
Installation 2019-2020 during LS2.
sTGC schematic Micromegas schematic (see F. Kuger’s talk)
Strips used for improvedmomentum measurement at trigger level
1.8 mm
3.2 mm
Pads used in trigger coincidence
88
8
Mode of safe RPC operation at the HL-LHC
RPC rate estimates [Hz/cm2] for HL-LHC
Rate above limit of safe operation
η=1η=0η=−1
φ
Average
Longevity of the RPCs depends
on the charge accumulated during
ten years of HL-LHC operations.
According to irradiation tests in
the GIF limit for safe operation of
present RPCs: 100 Hz/cm2.
Limit exceeded by up to a
factor of 2 at |η| &0.7!
Plan to reduce operating voltage to keep the gap currents/accumulated
charge within the safety margin.
⇒ Reduced gas gain/pulse heights lead to inefficiencies as the preamplifiers
cannot be replaced by more sensitive ones.
99
9
Barrel muon trigger coverage
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������
����������
����������
�����
�����
�����
�����
�����
�����
Big
wheel10 1550
5
0
10
y [m]
z [m]p
η=0 η=0.4 η=0.75 η=1.0
wheel
Smallη
−1 −0.5 0 0.5 1
Eff
icie
ncy
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Efficiency drop due to non−instrumented detector regions
L1_MU10 (2 stations)
L1_MU11 (3 stations)
|
ATLASPreliminaryData 2011η |<1.05muon
The high pT muon trigger acceptance is limited to ≈ 72% due to
non-instrumented regions of the muon spectrometer.
η =0: Non-instrumented region of the spectrometer to provide space for
services of the inner detector and the calorimeters.
η =0.4, 0.75, 1.0: Non-instrumented region due to toroid and rib
structures.
101010
Reinforcement of the barrel muon trigger
Installation of additional RPCs with increased high-ratecapability in the inner barrel layer to recuperate thereduced muon trigger efficieny.
Replacement of MDT chambers with sMDT chambers insmall barrel sectors to free space for RPCs.
Pilot project: BIS-7/8.
1st
leve
l e
ffic
ien
cy w
rt o
fflin
e [
%]
100
80
60
40
20
00−0.5 0.5−1 1
η
Installation of trigger chambers in BI
closes acceptance gaps and recuperates
RPC inefficiencies!
111111
Barrel upgrade pilot project
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
���
����������������
����������������
����������
����������
�����
�����
�����������������
�����
�����
�����
TGCs with
higher
resolution
sMDT
chambers
Barrel magnet coil
TGC RPC trigger chambers
Precision MDT muon chambersµ
10 1550
5
0
10
y [m]
sTGCs MicroMegas
RPCs
Thin−gap
z [m]
µ
magnet
End−cap
�����������������������������������
�����������������������������������
����
����
������
������
����
����
�������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
Pilot project
Installation of 16 new muon stations inside the barrel toroid coils at the
boundary between barrel and end caps during LS2 (2019-2020).
To improve the selectivity of the muon trigger in the barrel end-captransition region;To increase of high-rate capability.
Technology: Integrated sMDT-RPC chambers.
sMDT chambers for precision tracking.New thin-gap resistive plate chambers (RPC) for triggering.
121212
Thin-gap RPCs
Electrode
ElectrodeElectrode
ElectrodeElectrode
Electrode
1 mm gas gap
1 mm gas gap
1 mm gas gap
52.4
Very challenging space constraints:
∼5 cm space for a triplet of 1 mm gas
gaps.
New amplifier
in SiGe
technology
in silicon technologyImproved amplifier
ATLAS preamplifier
A new highly sensitive low-noise
preamplifier in SiGe technology allows
the efficient operation at 4 times
smaller gas gain than with the current
ATLAS preamplifier.
⇒ >4 times greater high-rate
capability, which is substantially
more than required.
131313
sMDT chambers
BIS−7
BIS−8
RPC triplet
sMDT chamber
Characteristics of sMDT chambers
Monitored drift-tube chambers with 15 mm
diameter tubes instead of 30 mm diameter
tubes as currently in ATLAS.
⇒ 10 times greater high-rate capability than
present ATLAS chambers.
Unprecedented wire positioning accuracy of 5 µm
(4 times higher accuracy than in present MDT chambers)
Distance of wire from nominal position [mm]0.04− 0.02− 0 0.02 0.04
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
= (4.8±0.2) µmσ
(RMS: 5.5 µm)
Further details: H. Kroha’s presentation.
141414
ATLAS trigger scheme for HL-LHC
New trigger scheme:
Only two trigger levels: level 0 (L0) and high-level trigger (HLT).L0 rate: 1 MHz. L0 latency: 6-10 µs.
⇒ In this scheme all muon chambers have to send their data off to USA15
continuously for further processing.
⇒ New on-chamber (MDT ASD and TDC chips, multiplexers ) and off-chamber
electronics (trigger logic, Felix ) needed!
Multiplexer
Multiplexer
Multiplexer
TDCs
Felixto ethernet switch/ROD
read out data after L0 trigger
Central trigger processor
On−detector electronics
RPCs
TGCs
MDTs
ASDs
ASDs
ASDs
Off−detector electronics
GBT fibres Trigger logic
L0 muon trigger L0 trigger
151515
The ATLAS 1st level muon trigger at the HL-LHC
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
���
����������
����������
�����
�����
�����
�����
�����
�����
���������������������������������������
���������������������������������������
small wheel
New
Regions of interest
Barrel magnet coil
TGC RPC trigger chambers
Precision MDT muon chambersµ
µ
z [m]2010 1550
5
0
10
y [m]
trigger chambers
RPCs
Thin−gapmagnet
End−cap
�����������������������������������
�����������������������������������
����
����
������
������
����
����
�������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������Precision track segment
Processing step Time after pp collision
1. Continuous stream of muon hit data to off-detector trigger logic.
2. Pre-muon-trigger based on coincidences of trigger-chamber hits in theinner, middle, and outer layers.
3. Use of precision NSW and MDT hits for the refinement of muon pTmeasurement in regions of interest defined by the trigger chambers.
4. Final muon trigger based on refined momentum measurement.
1 µs
2 µs
3 µs
6 µs
161616
Reason for integrating MDT data in the 1st trigger level
Inclusive muon cross section Muon first-level trigger efficiency
c →µ
b →µ
t →µ
W →µ
Z/γ* →µ
π/K →µ
Shower muons Punch−through
|ηµ| < 2.7
10−6
10
10
−5
−5
10
10
−4
−4
10
10
−3
−3
10
10
−2
−2
10
10
1−1
−1
1 10
10 100
dσ/d
p T
T
(µbarn
/GeV
)
pT (GeV/c)µ
0 10 30 40 50µ
dn /d
p (
kH
z/G
eV
) at L=
10 /(
cm
²s)
34
ATLAS Muon TDR
20
Fake
triggerslevel 1
[GeV]T
p
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Eff
icie
ncy
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
without MDTs
with MDTs
1st level 20 GeV muon trigger
The interesting electroweak physics is mainly at pT > 20 GeV.
The inclusive muon cross section is very steeply rising with decreasing pT.
Present 1st level 20 GeV muon trigger accepts a lot of muons with10 GeV< pT <20 GeV due limited spatial resolution of trigger chambers.
⇒ Sharpening of trigger turn-on curve by the use of precision muondrift-tube (MDT) chambers to limit the trigger rate.
171717
MDT trigger: fast track reconstruction algorithm
Tube in ROI
Drift radius
Hit positions (two−fold ambiguity)
Histogram with
projected hit
positions
Muon Restrict pattern recognition to the ROI.
Incident angle is known from trigger chambers(with 3 mrad resolution).
Project hits into the plane perpendicular to thetrigger chamber track and fill the into ahistogram.
Correct hit pattern leads to the highest peak inthe histogram (ideally with 6 hits).
Final track: straight line fitted to the correct hitpattern.
In practice there are less than 6 hits due to
the dead area introduced by the tube
walls,
masking of muon hits by δ and Compton
electrons.
181818
First results of timing study
Demonstrator hardware
Plan to use a microprocessor for
fast floating point operations.
Demonstrator hardware: Xilinx
Evaluation Kit ZC806 (SoC
Zynq-7045 with 1 GHz ARM
Cortex-A9).
Algorithm programmed in ARM
assembler.
Test under realistic background conditions
Test with experimental data
recorded in CERN’s gamma
irradiation facility.
Processing time < 3.5 µs even at
20% occupancy!
191919
Single-muon trigger rates at the HL-LHC
Single-muon trigger rates
(estimated from run-I data)
threshold [GeV]T
p5 10 15 20 25 30 35 40 45
Muo
n 1s
t lev
el tr
igge
r rat
e [k
Hz]
1
10
210
310
-1s-2cm3410⋅=14 TeV, L=7sRun-I muon trigger•Muon trigger with NSW•Muon trigger with NSW+MDTs•
Unacceptably high rate of run-I
20 GeV muon trigger: ∼150 kHz.
Removal of fake triggers by
including the NSW in the trigger
coincidence.
⇒ Rate reduced to ∼ 70 kHz.
Sharpening of the turn-on curve
with MDT data reduces trigger
rate to ∼ 18 kHz.
⇒ ∼ 130 kHz free for other triggers!
202020
Summary
LHC and HL-LHC will dominate accelerator particle physics for the next
two decades.
Upgrade of the ATLAS detector to fully exploit the HL-LHC’s physics
potential.
The upgrade of the muon spectrometer driven by the need for a highlyefficient and selective single muon trigger:
New small wheel to reject fake muon trigger.New RPCs in the inner barrel to maximize acceptance.Inclusion of MDT data in the 1st level muon trigger to maximizeselectivity.
212121
References
The ATLAS Muon Collaboration, ATLAS Muon Spectrometer TechnicalDesign Report, CERN/LHCC 97-22.The ATLAS Collaboration, The ATLAS Experiment at the CERN LargeHadron Collider, JINST 3 (2008).The ATLAS Muon Collaboration, ATLAS New Small Wheel Technical DesignReport, CERN-LHCC-2013-006.The ATLAS Collaboration, ATLAS Phase-II Upgrade Scoping Document,CERN-LHCC-2015-020.
222222
Supplementary material
232323
Higgs physics at the HL-LHC
Precision measurements of Higgs boson couplings and spin-CP quantum numbersas a probe for physics beyond the Standard Model.
[GeV]im
−110 1 10210
iy
−310
−210
−110
1Z
W
t
b
τ
µ
ATLAS Simulation Preliminary
= 14 TeVs
νlνl→WW*→4l, h→ZZ*→, hγγ→h
γZ→, hµµ→bb, h→, hττ→h
]µκ, τκ, bκ, tκ, Wκ, Zκ[
=0i,uBR
−1dt = 300 fbL∫−1dt = 3000 fbL∫
[GeV]im
−110 1 10 210
Ra
tio
to
SM
0.80.9
11.11.2
LHC
HL−LHC
Measurement of deviations of Higgs couplings fromSM values with per-cent precision at the HL-LHC.
Search for deviations from SM and for rare andinvisible Higgs decays.
Evidence for Higgs boson self-coupling possible atthe HL-LHC.
3-4 times higher sensitivity in directsearches for additional Higgs bosonsat the HL-LHC than the LHC.
[GeV]Hm
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
4l)
[fb]
→Z
Z→
BR
(H×σ
210
110
1
10
210
4l)→BR(H×SM
σ
Expected CLs
σ1
σ2
1 Ldt = 300 fb∫Expected
Preliminary, SimulationATLAS
=14 TeVs, 1
L dt = 3000 fb∫gluonfusion
LHC
HL−LHC
242424
Supersymmetric and other new particles at the HL-LHCSearch for supersymmetric particles
HL−LHC
LHC
Run I
Much larger area of the SUSY parameterspace accessible at the HL-LHC than atthe LHC.
Sensitivity to 1.5 times larger neutralino andchargino masses in WZ-mediated SUSY atthe HL-LHC than the LHC.
If SUSY is found at the LHC, the HL-LHCneeded to study its exact nature.
Model independent search for heavy resonances (di-jet, di-photon ``, tt)
LHC
HL−LHC
Mass [TeV]
Run I
Search performed in several final states, e.g.di-jet, di-photon, di-lepton, tt.
Di-jet resonances predicted by severaltheories, e.g. excited quarks, quantum blackholes.
4 times higher sensitivity to di-jet resonancesat the HL-LHC than at the LHC.
252525
Dark matter at the HL-LHC
Search for dark matter in Higgs boson decays
Signature of Higgs boson decays into darkmatter: H → invisible.
Direct search in vector boson fusion and W/Zassociated Higgs boson production.
95% confidence upper limits on BR(H → inv.)Run I LHC HL-LHC0.49 0.22 0.13
Indirect search via precision measurement ofHiggs boson couplings.
[GeV]χm1 10
2103
10
]2
[cm
Nχ
σ
5710
5510
5310
5110
4910
4710
4510
4310
4110
3910
DAMA/LIBRA (99.7% CL)CRESST (95% CL)CDMS (95% CL)CoGeNT (90% CL)XENON10 (90% CL)XENON100 (90% CL)SuperCDMS (90% CL)LUX (95% CL)
Scalar WIMPMajorana WIMP
Vector WIMP
ATLAS
Preliminary
Simulation
Higgs portal model:
ATLAS (95% CL) in
1dt = 3000 fbL∫ = 14 TeV, s
,νlνl→WW*→4l, h→ZZ*→, hγγ→h
µµ→bb, h→, hττ→, hγZ→h
Search for dark matter production in association
with Standard Model particles
Similar increase in sensitivity from LHC to HL-LHC as above.
q
q
χ
χ
, W/Zγjet,
262626