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Diploma Thesis IEKP-KA/2012-15 A High-Rate Beam Test for the CMS Pixel Detector Phase I Upgrade Simon Spannagel Diplomarbeit Fakultät für Physik Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP) Referent: Prof. Dr. Ulrich Husemann Korreferent: Prof. Dr. Guido Drexlin Karlsruhe, 2. November 2012 KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum der Helmholtz-Gesellschaft www.kit.edu Deutsche Zusammenfassung In den n¨achsten Jahren wird die Kollisionsenergie sowie die instantane Luminosit¨at des Large Hadron Colliders (LHC) [EB08] stetig erh¨oht, um mehr Teilchenkollisionen in den einzelnen Experimenten erzeugen zu k¨onnen. Besonders die h¨ohere Energie ver¨andert die Wirkungsquerschnitte verschiedener Reaktionen, z.B. der Higgs-Produktion. Dies erm¨oglicht den Experimenten, genauere Messungen von Eigenschaften der produzierten Teilchen durchzufuhren.¨ Nach der Konsolidierung des Beschleunigers im sogenannten Long Shutdown 1 (LS1) wird der LHC die doppelte Design-Luminosit¨at von bis zu L = 2 × 1034 cm−2s−1 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV liefern [Zim09]. Die h¨ohere Luminosit¨at zieht jedoch auch mehr gleichzeitig eintretende Teilchenkollisionen (Pileup) nach sich, die von den Experimenten separiert werden mussen.¨ Momentan muss der Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor [C+08] bei einer instantanen Luminosit¨at von L = 7:5 × 1033 cm−2s−1 die einzelnen Teilchenspuren von ungef¨ahr 35 simultanen Kollisionen trennen; bei doppelter Design-Luminosit¨at sowie h¨oherer Schwerpunktsenergie und gr¨oßeren Wirkungsquerschnitten wird diese Zahl jedoch auf ca. 100 Pileups ansteigen [CMS12]. Um diesen st¨andig steigenden Anforderungen gerecht zu werden, mussen¨ Teile des CMS-Detektors verbessert oder sogar erneuert werden. Beispielsweise wird der Pixeldetektor im sogenannten Phase I Upgrade Ende 2016 vollst¨andig ersetzt. Sowohl das Silizium- Sensormaterial muss aufgrund der Strahlungssch¨aden ausgetauscht werden, als auch der Auslesechip (Read Out Chip, ROC), der die Signalverarbeitung ubernimmt.¨ Der aktuelle ROC kann bei h¨oherer Okkupanz nicht ohne erhebliche Datenverluste und Ineffizienzen betrieben werden, da zum einen nicht genugend¨ Speicherzellen zum Zwischenspeichern der getroffenen Pixel und zum anderen nicht genug Bandbreite zum Ubertragen¨ des erh¨ohten Datenaufkommens vorhanden sind [K¨as08, Mei11]. Aus diesen Grunden¨ wurde ein neuer Auslesechip konstruiert. Der sogenannte PSI46dig ROC verfugt¨ uber¨ einen gr¨oßeren Zwischenspeicher und kann die Ubertragung¨ der anfallenden Datenmengen uber¨ eine digitale 400 MHz Schnittstelle bew¨altigen sowie die Auslese-Totzeit reduzieren. Auch der Token Bit Manager (TBM), der die Daten von mehreren ROCs bundelt¨ und fur¨ die Trigger-Signalverarbeitung zust¨andig ist, muss entsprechend angepasst und erweitert werden. Die Effizienz und das Verhalten des neuen PSI46dig ROCs mussen¨ unter Betriebsbedingungen genau getestet und verstanden werden, bevor dieser in Serienproduktion gehen kann. Sogenannte Strahltests, also Detektortests in einem Teilchenstrahl, bieten einen geeigneten Weg, um neue Detektor-Komponenten zu qualifizieren. Der zu untersuchende Detektor (auch Device Under Test (DUT) genannt) wird dabei in einem Teilchenstrahl mit genau definierten Eigenschaften und Charakteristika platziert, der dazu dient, die Betriebsbedingungen im CMS-Detektor nach dem Phase I Upgrade zu simulieren. Ublicherweise¨ kommen hierfur¨ sogenannte Strahlteleskope zum Einsatz, die aus mehreren Sensorlagen bestehen. Teilchenspuren werden vom Teleskop aufgenommen und mit den Messungen im DUT verglichen. Dieser Vergleich erlaubt Ruckschl¨ usse¨ auf die Effizienz des untersuchten Detektors. Um die Effizienz des neuen CMS ROCs bei hohen Teilchenraten zu vermessen, wurde mehrere sogenannte Hochraten-Strahltest geplant. Der erste dieser Tests wurde im Juli 2012 durchgefuhrt,¨ ein weiterer ist fur¨ Ende Oktober 2012 geplant. Fur¨ beide Tests wird der Strahlplatz H4IRRAD [BC11] des Super Proton Synchrotron (SPS)-Beschleunigers am CERN verwendet, der Protonen mit einer Energie von etwa 320 GeV bereitstellt. Der erste der beiden Strahltests am SPS wurde Ende Juli 2012 durchgefuhrt¨ und diente haupts¨achlich der Qualifizierung des Teilchenstrahls, der neu entwickelten Strahlteleskope sowie der Ausleseelektronik. Zudem wurde die Leistungsf¨ahigkeit der Analysesoftware mithilfe der aufgenommenen Detektordaten uberpr¨ uft¨ und verbessert. Zwei verschiedene Teleskopgeometrien mit jeweils acht ROCs wurden entwickelt und gebaut. W¨ahrend bei der ersten alle Teleskopebenen senkrecht auf dem eintreffenden Teilchenstrahl stehen, sind diese in der zweiten Version in zwei Richtungen gegen den Strahl geneigt, damit durchfliegende Teilchen nicht nur einzelne, sondern mehrere Pixel treffen. Diese k¨onnen in der Analyse zu sogenannten Clustern verbunden und den einzelnen Teilchen zugeordnet werden k¨onnen. Dies dient der Verbesserung der Ortsaufl¨osung und simuliert die Bedingungen im CMS-Detektor, wo eintreffende Teilchen durch das Magnetfeld abgelenkt werden und auch die im Silizium erzeugte Ladungstr¨ager in einem Winkel von etwa 25◦ zur Sensoroberfl¨ache driften [CMS10]. Dieser Winkel wird entsprechend der verursachenden Kraft Lorentzwinkel genannt. Beide Teleskope werden ohne TBM betrieben und direkt von den Ausleseplatinen angesprochen, da der digitale TBM08 noch nicht produziert wurde. Im Juli-Strahltest wurden zwei gekoppelte Ausleseplatinen (auch Testboards genannt) verwendet. Das Altera Cyclone Testboard wurde vom Paul-Scherrer-Institut (PSI) fur¨ Labortests des analogen PSI46v2 ROCs entwickelt und kann deshalb nicht ohne Modifikationen zur Auslese der digitalen Chips verwendet werden. Deshalb wurde zus¨atzlich ein auf dem leistungsstarken Xilinx Spartan-6- Prozessor beruhendes Testboard [Xil12] verwendet, um die Detektordaten aufzubereiten. Fur¨ den Strahltest werden die Teleskope mit 2 mm × 2 mm großen Szintillatoren vor und hinter der ersten bzw. letzten Teleskopebene ausgestattet, die es erlauben, die Auslese des Teleskops nach einem Teilchendurchgang zu starten. Diese Auslesesignale werden ublicherweise¨ Trigger genannt und von der Trigger-Logikeinheit verarbeitet. Diese wurde fur¨ die Strahltests so konstruiert, dass Beginn und Ende des gepulsten Teilchenstrahls vom SPS erkannt und alle Triggersignale außerhalb dieses Zeitfensters ausgeblendet werden k¨onnen. Die Datennahme wird mit jedem neuen Puls gestartet und dauert 7 s. Dies erm¨oglicht sowohl eine automatisierte Datennahme als auch eine einfache Korrelation zwischen gespeicherten Triggersignalen und Detektordaten. Zur Analyse der Detektordaten wird die EUTelescope-Softwareumgebung eingesetzt [B+07b]. EU- Telescope ist ein Programmpaket, das speziell fur¨ die Analyse von Teleskop-Strahltests entwickelt wurde, in das ILCsoft Framework eingebettet ist und dessen Infrastruktur nutzt. Ein Vorteil von EUTelescope ist sein modularer Aufbau, in dem einzelne Softwareprozessoren dedizierte Aufga- ben in der Analysekette ubernehmen¨ und die verarbeiteten Daten anschließend an den n¨achsten Prozessor weitergeben. Dies erlaubt einen schnellen und flexiblen Aufbau von vollst¨andigen Teil- chenrekonstruktionen und Analyseketten. Lediglich das Dekodieren und Konvertieren der nativen Detektordaten in das verwendete Linear Collider I/O (LCIO) Datenformat muss vom jeweiligen Anwender des Pakets implementiert werden, was im Rahmen dieser Arbeit vorgenommen wurde. Mit dem CMSPixelDecoder wurde eine einheitliche Programmbibliothek fur¨ schnelles Dekodieren der Datenstr¨ome von CMS Pixel-ROCs entwickelt. Dieser ist sowohl fur¨ das Dekodieren der Daten von einzelnen PSI46 ROC in Laboraufbauten als auch der Datenstr¨ome von vollen Detektormodulen mit 16 ROCs oder den Strahlteleskopen ausgelegt. Der Dekodieralgorithmus wurde sowohl mit Daten aus Labortests als auch mit Daten, die w¨ahrend des Juli-Strahltests aufgenommen wurden, uberpr¨ uft¨ und die Dekodierstrategie fur¨ eine maximale Datenintegrit¨at angepasst. Der CMSPixelDecoder kann sowohl Daten aus analogen PSI46v2 Chips als auch digitale PSI46dig Daten dekodieren, beide ROCs k¨onnen hierfur¨ sowohl mit als auch ohne TBM betrieben werden. Dies erlaubt nicht nur die Nutzung in den Hochraten-Strahltests, sondern er¨offnet zahlreiche M¨oglichkeiten des Einsatzes in den verschiedenen Labormessungen oder anderen Strahltests der PSI46 ROCs. Um die Dekodierprozedur beeinflussen zu k¨onnen, werden mehrere Parameter bereitgestellt. Diese erm¨oglichen beispielsweise die Auswahl von einzelnen Ereignissen basierend auf bestimmten Qualit¨atskriterien wie fehlerfreien ROC-Kennungen oder korrekter Datenl¨ange des Ereignisses. Des Weiteren werden detaillierte Statis- tiken uber¨ den Dekodiervorgang erhoben und ausgegeben. Dies umfasst sowohl die Gesamtzahl der IV Ereignisse als auch der Zahl der einzelnen Pixeltreffer, fehlgeschlagener Adressdekodierungen oder detektierter ROC-Kennungen. Dies kann besonders nutzlich¨ sein, um Fehler in der Detektorauslese oder der Testboard-Firmware aufzuspuren.¨ Viele der bereits vorhandenen EUTelescope-Prozessoren konnten fur¨ die Analysekette verwendet werden wobei lediglich kleine Anderungen¨ vorgenommen werden mussten. Der CMSPixelReader- Prozessor zum Konvertieren des nativen Datenformats in das LCIO-Format wurde im Rahmen dieser Arbeit von Grund auf entwickelt. Er verwendet intern den CMSPixelDecoder zum Dekodieren der Rohdaten. Nach der Konvertierung werden die Daten mit Hilfe des CMSPixelCalibrateEvent- Prozessors kalibriert. Dieser nimmt eine Kalibrierung der einzelnen Signalh¨ohen anhand einer aufgenommenen
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