Robustness studies of the cms tracker for the lhc upgrade phase i

Abstract

Currently, several changes are being implemented in the tracker geometry of the Compact Muon Solenoid (CMS). These should improve the performance of both strip and pixel detectors. The new pixel detector will have four barrel pixel layers and three disks in the ends, compared to the current configuration of three barrel pixel layers and two disks in the ends. Also the material used to make these additional layers and disks has been reduced, yielding a lighter pixel detector and therefore, reduces the interaction of particles with the inactive material in the tracker. All these improvements are included in the CMS software (CMSSW) that simulates the response of the detector in scenarios such as increased luminosity in the Large Hadron Collider (LHC) for the period known as Phase 1 upgrade. In this thesis, I perform some studies to show the robustness of the upgraded detector with respect to the present detector. These studies consider two scenarios with inefficiencies in the outer tracker; degradation of the first two silicon TIB layers (which are those closer to the pixel detector), and failures in some tracker modules of the outer tracker (Tracker Inner Barrel (TIB), Tracker Outer Barrel (TOB) and Tracker Inner Disk (TID)) that are believed to possibly become unstable at increasing luminosity. Finally, we study a third scenario which shows the preliminary results of a new method for simulating radiation damage on the first layer of the pixel detector. In the first study, the degradation of the TIB is simulated due to radiation damage with a 20% uniform inefficiency in the first two TIB layers. In the second, the degradation in the outer tracker is simulated by switching off a group of selected tracker modules that could become unstable at high luminosities. Then, a new method to simulate radiation damage on the pixel detector is done through decreasing and increasing exponential functions. Next, the specifications of the new detector geometry are introduced (e.g an additional fourth barrel pixel layer) for measuring the impact of high pile-up scenarios corresponding to an increased luminosity after the Phase 1 upgrade (SLHC), thus providing feedback on the design of future CMS upgrade tracker geometries and detectors.

En la actualidad varios cambios en la geometría del trazador del Solenoide Compacto de Muones (CMS) estan siendo implementados. Estos deben mejorar el rendimiento tanto del detector de tiras como del detector de pixeles. El detector de pixeles nuevo tendrá cuatro capas de barril de píxeles y tres discos en los extremos, en comparación con la configuración actual de tres capas de barril de píxeles y dos discos en los extremos. Además, el material empleado para hacer estas capas y discos adicionales ha sido reducido, dejando un detector de píxeles más ligero y por lo tanto, una reducción en la interacción de las partículas con el material inactivo del trazador. Todas estas mejoras son incluidas en el software de CMS (CMSSW) que simula la respuesta del detector en un escenario tal como una luminosidad aumentada en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para el período de actualización conocido como Fase 1. En esta tesis se realizan algunos estudios para demostrar la robustez del detector mejorado respecto al actual. En estos estudios se consideran dos escenarios con ineficiencias en el trazador exterior; la degradación en las dos primeras capas de silicio del TIB (son aquellas que estan más cerca al detector de pixeles) y fallas en algunos módulos del trazador exterior (TIB, TOB y TID) que se creen podrían presentar problemas al incrementarse la luminosidad. Por último, estudiamos un tercer escenario en el cual se muestra los resultados preliminares de un nuevo método para simular el daño por radiación en la primera capa del detector de píxeles. En el primer estudio se simula la degradación del TIB debido al daño por radiación con una ineficiencia uniforme del 20 % en las dos primeras capas del TIB. En el segundo se simula la degradación en el trazador exterior apagando un grupo de módulos seleccionados del trazador que se creen podrían dejar de funcionar a luminosidades altas. También empleamos un nuevo método para simular el daño por radiación en el detector de píxeles, con el uso de funciones exponenciales crecientes y decrecientes. Después se introducen las modificaciones de la geometría del nuevo detector (por ejemplo, una cuarta capa adicional en el barril del detector de pixeles) para medir el impacto de los escenarios con una alta cantidad de vértices primarios que se generan al incrementar la luminosidad después de la actualización (SLHC), permitiendo de esta manera optimizar el diseño de futuras actualizaciones en las geometrías del trazador y de los detectores de CMS.