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Luminosity measurement at CMS

Luminositätsmessung bei CMS

  • Luminosity is a key quantity of any collider, since it allows for the determination of the absolute cross sections from the observed rates in a detector. Since the Higgs boson discovery in 2012, the highest priority at the Large Hadron Collider (LHC) has been given to an accurate understanding of the electroweak scale and a search for new physics. Precise luminosity measurements in such conditions are of crucial importance, as they determine the precision of any physics cross section measurement. To increase the production of particles of low cross section the LHC is running at the highest possible luminosity. After the first Long Shutdown (LS1) the original performance goal for the luminosity of was reached with 1011 protons per bunch and a bunch spacing of 25 ns. In such conditions radiation hard detectors with extremely fast response time are required, especially for instrumentation near the beam. The Compact Muon Solenoid experiment is equipped with three online luminometers, which fulfill the listed requirements: the FastLuminosity is a key quantity of any collider, since it allows for the determination of the absolute cross sections from the observed rates in a detector. Since the Higgs boson discovery in 2012, the highest priority at the Large Hadron Collider (LHC) has been given to an accurate understanding of the electroweak scale and a search for new physics. Precise luminosity measurements in such conditions are of crucial importance, as they determine the precision of any physics cross section measurement. To increase the production of particles of low cross section the LHC is running at the highest possible luminosity. After the first Long Shutdown (LS1) the original performance goal for the luminosity of was reached with 1011 protons per bunch and a bunch spacing of 25 ns. In such conditions radiation hard detectors with extremely fast response time are required, especially for instrumentation near the beam. The Compact Muon Solenoid experiment is equipped with three online luminometers, which fulfill the listed requirements: the Fast Beam Conditions Monitor (BCM1F), the Pixel Luminosity Telescope (PLT) and the Forward Hadron calorimeter (HF). The BCM1F was upgraded during LS1 from 8 to 24 diamond sensors and is read out by a dedicated fast ASIC. The back-end comprises a deadtime-less histogramming unit, with 6.25 ns bin width and analog-to-digital converters with 2 ns sampling time in the VME standard. A microTCA system with better time resolution is in development. Because of its excellent time resolution BCM1F measures separately both luminosity and machine induced background particles. The performance of the detector in the first running period and radiation damage monitoring of the sensors and electronics chain form the first part of this thesis. Calibration of the luminometers at the LHC is done using van der Meer (VdM) scans. The proton beams are scanned against each other. The effective width of the beams is measured and the visible cross section, the key quantity for the luminosity measurement, is determined. The impact of detector instability, beam-beam effects, correlations of the particle density distributions in the X and Y planes, and satellite and ghost bunches are studied in detail and systematic uncertainties are derived. A comparison of the VdM scans of 2015 and 2016 completes the second part of the thesis. As a contribution to the upgrade of the beam instrumentation for the high luminosity LHC, a novel single crystal sapphire detector was designed, built and studied in a test-beam. The detector comprises a stack of sapphire plates. The response depends on the direction of the incident particles. The performance of the detector is described in the third part of the thesis. It is demonstrated that this sapphire detector can be used for the detection of single relativistic particles. The results point to the dominant contribution of the electrons to the signal generation in sapphire.show moreshow less
  • Die Luminosität ist eine Schlüsselgrösse eines jeden Beschleunigers und Speicherrings (Collider). Seit der Entdeckung eines Higgs-Bosons im Jahr 2012 wird am Large Hadron Collider (LHC) mit höchster Priorität am Verständnis der elektroschwachen Skala und der Suche nach neuer Physik gearbeitet. Präzise Luminositätsmessungen sind dabei von entscheidender Bedeutung, um Messungen von Wirkungsquerschnitten mit den Vorhersagen der Theorie zu vergleichen. Nach der ersten langen Betriebspause des LHC wurde die geplante Luminosität von 1x1034 cm-2s-1 mit maximal 3564 Teilchenpaketen im Zeitabstand von 25 ns mit 1011 Protonen pro Paket erreicht. Das Compact Muon Solenoid Experiment ist mit drei Online-Luminometern ausgestattet: der Fast Beam Conditions Monitor (BCM1F), das Pixel Luminosity Telescope (PLT) und das Forward Hadron calorimeter (HF). Das BCM1F-System wurde während des LS1 erweitert. Die Zahl der Diamantsensoren wurde von 8 auf 24 erhöht, um ein hohes Maß an Redundanz zu erhalten. Wegen der höheren Folgefrequenz der TeilchenpaketeDie Luminosität ist eine Schlüsselgrösse eines jeden Beschleunigers und Speicherrings (Collider). Seit der Entdeckung eines Higgs-Bosons im Jahr 2012 wird am Large Hadron Collider (LHC) mit höchster Priorität am Verständnis der elektroschwachen Skala und der Suche nach neuer Physik gearbeitet. Präzise Luminositätsmessungen sind dabei von entscheidender Bedeutung, um Messungen von Wirkungsquerschnitten mit den Vorhersagen der Theorie zu vergleichen. Nach der ersten langen Betriebspause des LHC wurde die geplante Luminosität von 1x1034 cm-2s-1 mit maximal 3564 Teilchenpaketen im Zeitabstand von 25 ns mit 1011 Protonen pro Paket erreicht. Das Compact Muon Solenoid Experiment ist mit drei Online-Luminometern ausgestattet: der Fast Beam Conditions Monitor (BCM1F), das Pixel Luminosity Telescope (PLT) und das Forward Hadron calorimeter (HF). Das BCM1F-System wurde während des LS1 erweitert. Die Zahl der Diamantsensoren wurde von 8 auf 24 erhöht, um ein hohes Maß an Redundanz zu erhalten. Wegen der höheren Folgefrequenz der Teilchenpakete wurde die Front-End-Elektronik durch einen speziell entwickelten ASIC ersetzt. Die Auswerteelektronik umfasst eine eigens für diesen Zweck entwickelte totzeitlose Histogrammier-Einheit mit 6.25 ns Zeitauflösung und einen Analog-Digital-Wandler mit 2 ns Sampling-Zeit im VME-Standard. Aufgrund seiner ausgezeichneten Zeitauflösung wird BCM1F sowohl für Luminositäts- als auch für Hintergrundmessungen verwendet. Die Bestimmung der wesentlichen Kenngrößen des Detektors in der ersten Laufzeit und die Abschätzung von Strahlungsschäden der Sensoren und der Elektronik bilden den ersten Teil dieser Dissertation. Die Kalibrierung der Luminometer erfolgt am LHC mit van der Meer (VdM) Scans. Die Protonenstrahlen werden dabei in definierten Schritten in X und Y-Richtungen bewegt, um die effektive Breite der Strahlen und den sogenannten sichtbaren Wirkungsquerschnitt zu messen. Zur Abschätzung des systematischen Fehlers wurde der Einfluss von Instabilitäten des Detektors, Strahl-Strahl-Wechselwirkungen, Korrelationen zwischen den Teilchendichten X und Y, Satellite- und sogenannter Geisterpakete auf die Messung des sichtbaren Wirkungsquerschnitts bestimmt. Ein Vergleich der VdM-Scans von 2015 und 2016 sowie ein Vergleich mit den Ergebnissen anderer Luminometer schließt den zweiten Teil der Arbeit ab. Als Beitrag zur Weiterentwicklung der Strahlinstrumentierung für die spätere Phase hoher Luminosität am LHC wurde ein Einkristall-Saphir-Detektor entworfen, gebaut und im Teststrahl vermessen. Der Detektor besteht aus aufeinanderliegenden Saphirplatten, die einzeln ausgelesen werden. Die Kenngrößen des Detektors sind im dritten Teil der Dissertation beschrieben. Die vorliegende Studie zeigt, dass Saphirdetektoren zum Einzelteilchennachweis eingesetzt werden können. Die Hinweise auf den dominierenden Beitrag der Elektronen zum Signal werden bestätigt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Olena Karacheban
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43243
Referee / Advisor:Prof. Dr. Götz Seibold
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Date of final exam:2017/01/05
Release Date:2017/12/08
Tag:Collider; Diamant-Sensoren; Luminosität; Saphir-Sensoren; Van der Meer Scan
Collider; Diamond sensors; Luminosity; Sapphire sensors; Van der Meer scan
GND Keyword:LHC; Lumineszenz; Sensor; Saphir
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Computational Physics
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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