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Pozzobon, Nicola (2011) A Level 1 Tracking Trigger for the CMS Experiment at the LHC Phase 2 Luminosity Upgrade. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The second decade of Large Hadron Collider operations, from about 2020 onwards, envisages a remarkable increase in collider instantaneous luminosity, one order of magnitude above the project one. This luminosity increase presents several challenges to the LHC experiments. The present Tracker of the Compact Muon Solenoid experiment must be replaced with a system providing excellent tracking quality at higher luminosities, as well as Tracking Trigger inputs to the existing "Level 0" CMS Trigger system at the full 40 MHz bunch-crossing rate. The minimal requirements for a Tracking Trigger would be the capability to confirm the presence of high-pT tracks associated with Calorimeter and/or Muon Level 0 Triggers. The ability to provide effective isolation criteria may also be required, and would in any case substantially improve the Trigger performance.
Maintaining the data rates generated by Tracking Trigger inputs within a manageable bandwidth requires sensor modules able to locally sparsify the data. Measuring at detector module level the track direction in the transverse plane, and hence deriving its transverse momentum, is the most promising solution to provide such a detector-embedded data reduction feature. These so-called "pT-modules"' would only transmit to the Level 1 Trigger "stubs", pairs of correlated hits in two closely separated sensors, derived by tracks with pT above a given threshold. To exemplify, a 2 GeV/c threshold would cut data rate of more than a factor 10, hence providing a data rate well within the capabilities of present data links.
The pT-modules design discussed in this work consists of two, closely spaced segmented silicon sensors, featuring both pattern hit correlation across the module and a single hit position resolution high enough to compute stubs with the required accuracy to resolve track directions despite a lever arm of about only 1 mm. A concept Tracker layout, the so-called "Long Barrel", consisting in an Outer Tracker completely built out of pT-modules, has been proposed. The Long Barrel Tracker is particularly flexible in simulation studies of Tracking Trigger as it allows for information from several layers of the Tracker to be combined in a projective geometry. For this reason, it is meant as a testing ground to compare the performance of different designs and configurations. The Long Barrel layout also allows the generation of even more structured Trigger Objects such as "tracklets", consisting of pairs of stubs in opportunely paired layers, which can in turn be used as seeds to generate "Level 1 tracks", including even more stubs.
The choice of stacked sensors for pT-modules has been recently strengthened by test beam results obtained with novel prototypes of Monolithic Active Pixel Sensors and reported in this thesis. The developement of Tracking Trigger simulations is also presented as a major step towards the design of a realistic Trigger capable Tracker upgrade. A particular challenge for the Trigger system is given by tau leptons produced in many rare processes searched at the LHC. The performance of a Tracking Trigger on final states with tau leptons will be crucial at very high luminosities and is presented at the and of this document as the natural step forward in the work on the subject.

Abstract (italiano)

Durante il secondo decennio di operazioni al Large Hadron Collider, a partire dall'anno 2020, è previsto un notevole aumento della luminosità istantanea del collisionatore, di un ordine di grandezza superiore rispetto a quella di progetto. Questa luminosità presenta numeose sfide per gli esperimenti a LHC. Il Tracciatore attualmente impiegato nell'esperimento Compact Muon Solenoid dovrà essere rimpiazzato con un sistema in grado di garantire una tracciatura di qualità eccellente ad alte luminosità e, allo stesso tempo, fornire informazioni utili per l'attuale "Livello 0" del sistema di Trigger a CMS, alla frequenza di collisioni di 40 MHz. Le richieste minime per un Trigger basato sul Tracciatore sono la capacità di confermare la presenza di tracce ad alto pT associate a Trigger di Livello 0 ottenuti con i Calorimetri o i rivelatori di muoni. La capacità di fornire criteri efficaci di isolazione può essere ulteriormente richiesa e in ogni caso migliorerebbe significativamente le prestazioni del Trigger.
Il rateo dei dati associati con la generazione nel Tracciatore di informazione di Trigger può essere mantenuto in una larghezza di banda sufficientemente maneggevole richiedendo che i moduli sensitivi siano in grado di ridurre localmente i dati. I principali candidati per una simile riduzione locale del rateo i dati sono caratterizzati dalla capacità di fornire la direzione della traccia nel piano trasverso, oltre alla sua posizione, da cui poter dedurre la quantità di moto della traccia stessa. Questi "pT-modules" trasmetterebbero di conseguenza al Trigger di primo livello degli abbozzi di traccia ("stub") generati da particelle con pT al di sopra di 2 GeV/c. La scelta di una simile soglia permetterebbe la riduzione dei dati di un fattore superiore a 10, consentendo quindi un rateo facilmente tollerabile.
I moduli di Trigger possono essere realizzati con due sensori di silicio paralleli leggermente separati, caratterizzati da una risoluzione sulla misura del singolo punto d'impatto tale che gli stub, ottenuti tramite correlazione tra i punti misurati nel modulo, possano fornire un'adeguata misura della direzione della traccia, nonostante il braccio di leva sia dell'ordine del millimetro. Un'ipotetica configurazione per il Tracciatore, composto da "lunghi barili", che prevede un Tracciatore esterno realizzato totalmente con moduli di Trigger, è stata proposta. Essa è particolarmente flessibile negli studi di simulazione per il Trigger realizzato con il Tracciatore giacché consente di combinare tra loro, tramite proiezioni geometriche, le informazioni provenienti da diversi strati del Tracciatore. Pertanto è un campo di prova per confrontare le prestazioni di diverse concezioni e diverse configurazioni. Il Tracciatore proposto permette anche la generazione di oggetti più articolati degli stub per il Trigger, come ad esempio le "tracklet", che consistono in coppie di stub opportunamente associate tra loro, le quali possono a loro volta essere usate come punto di partenza per la costruzione di Tracce di Primo Livello.
La scelta di moduli di Trigger realizzati con sensori accoppiati è rafforzata da risultati recenti ottenuti con dei prototipi innovativi di rivelatori a Pixel Monolitici durante dei test sotto fascio riportati in questa tesi. Lo sviluppo di simulazioni per un Trigger con il Tracciatore è anch'esso presentato come un significativo progresso verso la progettazione di un nuovo Tracciatore realistico e capace di fornire informazioni utili per il Trigger. Particolarmente impegnativo è lo sforzo per un Trigger che selezioni i leptoni tau prodotti in numerosi processi rari di interesse per gli esperimenti a LHC. Le prestazioni di un Trigger con il Tracciatore su stati finali contenenti leptoni tau saranno fondamentali a luminosità molto elevate e sono illustrate alla fine di questo documento, come naturale prosecuzione del lavoro descritto.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Bisello, Dario
Correlatore:Mannelli, Marcello
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 23 > Scuole per il 23simo ciclo > FISICA
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2011
Parole chiave (italiano / inglese):CERN, Large Hadron Collider, LHC, Compact Muon Solenoid, CMS, Upgrade, Tracker, Trigger, Level 1 Trigger, Silicon Detectors, Monolithic Arrays of Pixel Sensors, MAPS, Silicon On Insulator Technology, SOI
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/04 Fisica nucleare e subnucleare
Area 02 - Scienze fisiche > FIS/01 Fisica sperimentale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica "Galileo Galilei"
Codice ID:3847
Depositato il:01 Ago 2011 11:29
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