Ricerca e sviluppo di rivelatori Triple-GEM per la stazione ME0 di CMS, Innovazione tecnologica per operare a flussi elevati di particelle nello spettrometro a muoni di CMS

The High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) project aims to escalate the performance of the LHC in order to increase the potential for discoveries after 2029. The integrated luminosity is expected to gain a factor 10 beyond the LHC's design value, calling for improved detectors systems capable of coping with the particle background. A further ring of Triple-GEM detectors will be installed in the innermost area of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment to extend the acceptance region up to |eta| < 2.8. This additional station is called ME0 and lies where the particle flux will reach 150 kHz/cm^2, making it inaccessible to non-resistive gaseous detectors. GEM-detectors are large-area micro-pattern gaseous detectors with outstanding rate capability performance. Unlike traditional non-resistive gaseous detectors, their rate capability is limited not by space charge effects, but by voltage drops on the chamber electrodes, due to ion-induced currents flowing through the resistive protection circuits for discharge mitigation. In this thesis, the study of such effect is presented: the expected hit-rate in the ME0 station was reproduced on a small-area Triple-GEM detector prototype with the help of an AMPTEK miniX X-ray source. A gain loss as high as the 40% of the nominal detector gas gain was measured, which could seriously compromise the detector tracking efficiency. To recover the correct operation of the detector even in such harsh environments, two possible solutions were investigated, which can be referred as "compensation strategy" and "radial segmentation". The compensation strategy is an algorithm to be run online, which aims to reestablish the working point electrode voltage by adjusting the powering currents provided by the power system. However, this cannot be a standalone solution, as the abrupt removal of the proton beam would cause irreversible damage to the Triple-GEM detector plus powering system. Moreover, the compensation of a transverse sectorized CMS ME0 Triple-GEM detector would be too demanding from the services standpoint, due to the highly irregular irradiation which characterises different HV-sectors. The "radial segmentation" naturally completes the compensation strategy, providing for a uniform hit-rate across different HV-sectors, the minimization of gain-loss, and independence of detector gain on background flux shape. With the radial segmentation, a further innovation in the GEM-foils design was introduced, named "random segmentation". This is an old idea of Sauli and RD51, which not only facilitates the GEM-foils production, but also enhance the detector gas gain efficiency. The quality of random segmented GEM-foils was verified on the first produced 20cmx10cm Triple-GEM detector prototype, validating both the GEM-foils and the detector itself. Again, the results obtained with the small-area Triple-GEM detector prototypes were verified on the first radial segmented CMS ME0 Triple-GEM detector prototype, suggesting that the compensation strategy plus GEM-foils design optimization will be a winning solution during the HL-LHC era.

Il progetto High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) mira a intensificare le prestazioni dell'LHC al fine di aumentare il potenziale di scoperta dopo il 2029. Si prevede che la luminosità integrata guadagnerà un fattore 10 oltre il valore di progettazione dell'LHC, richiedendo sistemi di rilevamento migliorati in grado di far fronte allo sfondo delle particelle. Un ulteriore anello di rivelatori Triple-GEM sarà installato nell'area più interna dell'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) per estendere la regione di accettanza fino a |eta| < 2,8. Questa stazione aggiuntiva si chiama ME0 e si troverà dove il flusso di particelle raggiungerà 150 kHz/cm^2, rendendola inaccessibile ai rivelatori di gas non resistivi. I rivelatori GEM sono rivelatori gassosi a micro-pattern di ampia area con prestazioni eccezionali in termini di sostenimento di alte rate. A differenza dei tradizionali rivelatori gassosi non resistivi, la loro rate capability non è limitata dagli effetti della carica spaziale, ma dalle cadute di tensione sugli elettrodi della camera, dovute alle correnti indotte dagli ioni che fluiscono attraverso i circuiti resistivi di protezione per l'attenuazione delle scariche. In questa tesi viene presentato lo studio di tale effetto: la rate attesa nella stazione ME0 è stata riprodotta su un prototipo di rivelatore Triple-GEM di piccola area con l'aiuto di una sorgente di raggi X AMPTEK miniX. Si è misurata una perdita di guadagno pari al 40% del guadagno nominale del rivelatore, che potrebbe comprometterne seriamente l'efficienza di tracciamento. Per recuperare il corretto funzionamento del rivelatore anche a così alte rate, sono state studiate due possibili soluzioni, che possono essere denominate "strategia di compensazione" e "segmentazione radiale". La strategia di compensazione è un algoritmo da eseguire online, che mira a ristabilire la tensione dell'elettrodo al punto di lavoro regolando le correnti di alimentazione fornite dal sistema di alimentazione. Tuttavia, questa non può essere una soluzione autonoma, poiché la rimozione improvvisa del fascio di protoni causerebbe danni irreversibili al rivelatore Triple-GEM e al sistema di alimentazione. Inoltre, la compensazione di un rivelatore CMS ME0 Triple-GEM a settori trasversali sarebbe troppo impegnativa dal punto di vista dei servizi, a causa dell'irraggiamento fortemente irregolare che caratterizzerebbe diversi settori HV. La "segmentazione radiale" completa naturalmente la strategia di compensazione, grazie all'uniformizzazione del flusso di particelle sui diversi settori HV, alla minimizzazione della perdita di guadagno e all'indipendenza del guadagno dalla simmetria del fondo di particelle in CMS. Con la segmentazione radiale è stata introdotta un'ulteriore innovazione nel design dei fogli GEM, denominata "segmentazione random". Questa è una vecchia idea di Sauli e RD51, che non solo facilita la produzione di fogli GEM, ma migliora anche l'efficienza del guadagno del rivelatore. La qualità dei fogli GEM segmentati randomicamente è stata verificata sul primo prototipo di rivelatore Triple-GEM da 20 cm x 10 cm prodotto, convalidando sia i fogli GEM che il rivelatore stesso. Anche in questo caso, i risultati ottenuti con i prototipi di rivelatori Triple-GEM di piccola area sono stati verificati sul primo prototipo di rivelatore Triple-GEM CMS ME0 a segmenti radiali, suggerendo che la strategia di compensazione più l'ottimizzazione del design dei fogli GEM sarà una soluzione vincente durante l'era di HL-LHC.