Mejorando la Detección de Partículas: La Nueva Rueda Pequeña
Una mejora para aumentar la detección de muones en el experimento ATLAS en medio de tasas de colisión más altas.
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Tabla de contenidos
- Antecedentes
- Objetivos de la Nueva Rueda Pequeña
- Resumen de Tecnología
- Instalación y Operación
- Especificaciones del Detector
- Requisitos de Rendimiento
- Desafíos
- Procesamiento de Datos
- Ruta de Datos de Activación
- Pruebas y Validación
- Conclusión
- Perspectivas Futuras
- Agradecimientos
- Fuente original
- Enlaces de referencia
La Nueva Rueda Pequeña es una mejora al Espectrómetro de muones en el experimento ATLAS en CERN. Esta actualización es necesaria debido al aumento en las colisiones de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El LHC estará funcionando a una luminosidad más alta, lo que significa que más partículas colisionarán cada segundo, aumentando el ruido de fondo y las señales falsas. La Nueva Rueda Pequeña busca manejar este desafío de manera efectiva.
Antecedentes
El Espectrómetro de Muones es un componente crucial del experimento ATLAS. Ayuda a detectar muones, que son parientes pesados de los electrones. Estas partículas son importantes para entender muchos fenómenos en física. Sin embargo, a medida que aumenta la tasa de colisiones, también lo hace la cantidad de ruido de fondo, lo que puede llevar a detecciones falsas o "caminos falsos".
Objetivos de la Nueva Rueda Pequeña
El principal objetivo de la Nueva Rueda Pequeña es reducir la cantidad de señales falsas que detecta. Esto se logra introduciendo nuevas tecnologías y una mejor configuración electrónica. La actualización ayudará a asegurar que el experimento ATLAS pueda medir correctamente los muones, incluso con las tasas de colisión más altas que se esperan en el HL-LHC.
Resumen de Tecnología
La Nueva Rueda Pequeña utiliza dos tipos de detectores: detectores de tira resistiva y Cámaras de Espacio delgado. Juntos, estos detectores tienen alrededor de 2.45 millones de canales que necesitan ser leídos y procesados. El desafío es diseñar un sistema electrónico que pueda manejar esta gran cantidad de datos de manera rápida y precisa.
Diseño Electrónico
El sistema electrónico detrás de la Nueva Rueda Pequeña se ha desarrollado durante una década. Incluye varios componentes especializados diseñados para soportar altos niveles de radiación. Los componentes incluyen:
- Circuitos Integrados Específicos de Aplicación (ASICs)
- Placas frontales
- Procesadores de activación
Estos componentes trabajan juntos para procesar las señales de los detectores y enviar datos relevantes al sistema de activación de ATLAS.
Instalación y Operación
La Nueva Rueda Pequeña se instaló en 2021 y comenzó su integración en el experimento ATLAS durante la Correr 3 del LHC. Se espera que opere hasta el final de la Correr 4 en diciembre de 2032.
Especificaciones del Detector
La Nueva Rueda Pequeña tiene forma redonda, con un diámetro de aproximadamente 10 metros y 1 metro de grosor. Contiene 16 sectores, mitad pequeños y mitad grandes. Cada sector se divide aún más en capas que utilizan los dos tipos de detectores. El diseño está cuidadosamente elaborado para un rendimiento óptimo.
Requisitos de Rendimiento
Para reducir efectivamente las señales falsas, la Nueva Rueda Pequeña necesita cumplir criterios de rendimiento estrictos. Para fines de activación, busca una resolución espacial de 100 micrómetros por capa. Este nivel de precisión ayudará a proporcionar una buena resolución de momento a lo largo del haz.
Mecanismo de Activación
El mecanismo de activación de la Nueva Rueda Pequeña está diseñado para identificar rápidamente las señales válidas. Debe reconstruir segmentos de trayectoria para el sistema de activación con una resolución angular de aproximadamente 1 miliradian. Para que un segmento se considere válido, debe estar dentro de un rango angular específico desde el punto de interacción.
Desafíos
Varios factores complican el diseño de la electrónica de la Nueva Rueda Pequeña:
- Resistencia a la Radiación: Los componentes deben soportar altos niveles de radiación a lo largo del tiempo sin fallar.
- Latencia Limitada: La electrónica necesita responder rápidamente, con muy poco retraso en el procesamiento de señales.
- Campos Magnéticos: Campos magnéticos fuertes pueden interferir con algunos componentes, así que se necesita una selección cuidadosa de materiales.
- Limitaciones de Espacio: Hay poco espacio en el detector, lo que requiere diseños compactos y eficientes.
Procesamiento de Datos
El procesamiento de datos comienza en el front-end, donde se leen las señales de los detectores. Luego, los datos se envían al Controlador de Lectura (ROC), que los organiza para un análisis posterior. El ROC puede comunicarse con múltiples VMMs para recopilar la información necesaria.
Calibración
La calibración es una parte importante para asegurar mediciones precisas. Cada canal dentro de los detectores se calibra para asegurar que las lecturas sean correctas. Esto implica usar señales de prueba y medir la respuesta del sistema.
Ruta de Datos de Activación
Una vez que las señales son procesadas, se trasladan a través de una serie de rutas para la transmisión de datos. Varias rutas manejan diferentes tipos de señales, incluyendo:
- Señales de activación
- Datos de calibración
- Información de lectura
Sistema FELIX
El Front End Link eXchange (FELIX) juega un papel crucial en la gestión del flujo de datos entre la Nueva Rueda Pequeña y el experimento ATLAS. Actúa como un interruptor, dirigiendo los datos a los lugares apropiados y asegurando una comunicación eficiente.
Pruebas y Validación
Después de la instalación, la Nueva Rueda Pequeña pasa por pruebas exhaustivas para validar su rendimiento. Esto incluye verificar que pueda manejar las tasas de colisión esperadas e identificar con precisión los muones.
Conclusión
La Nueva Rueda Pequeña representa un avance significativo en la capacidad del experimento ATLAS para estudiar partículas fundamentales. Al reducir las señales falsas y mejorar el procesamiento de datos, la actualización es crucial para futuros descubrimientos en física de partículas. Las capacidades de este nuevo sistema ayudarán a los investigadores a obtener una comprensión más profunda del universo y las fuerzas fundamentales en juego.
Perspectivas Futuras
A medida que el LHC continúa operando a una luminosidad más alta, la necesidad de sistemas de seguimiento y procesamiento de datos efectivos solo crecerá. La Nueva Rueda Pequeña sienta las bases para futuras actualizaciones, asegurando que el experimento ATLAS permanezca a la vanguardia de la investigación en física de partículas.
Agradecimientos
El desarrollo de la Nueva Rueda Pequeña ha involucrado la colaboración de numerosos equipos e instituciones. Sus esfuerzos colectivos han hecho posible esta importante actualización. El trabajo realizado aquí allanará el camino para más descubrimientos en el ámbito de la física de altas energías.
Este artículo cubre varios aspectos de la Nueva Rueda Pequeña, una actualización significativa del detector ATLAS en CERN, destinada a abordar los desafíos que presentan las tasa de colisiones más altas en el LHC. La tecnología, el diseño, la instalación y los resultados de rendimiento esperados son elementos cruciales de este proyecto innovador.
Título: The New Small Wheel electronics
Resumen: The increase in luminosity, and consequent higher backgrounds, of the LHC upgrades require improved rejection of fake tracks in the forward region of the ATLAS Muon Spectrometer. The New Small Wheel upgrade of the Muon Spectrometer aims to reduce the large background of fake triggers from track segments that are not originated from the interaction point. The New Small Wheel employs two detector technologies, the resistive strip Micromegas detectors and the "small" Thin Gap Chambers, with a total of 2.45 Million electrodes to be sensed. The two technologies require the design of a complex electronics system given that it consists of two different detector technologies and is required to provide both precision readout and a fast trigger. It will operate in a high background radiation region up to about 20 kHz/cm$^{2}$ at the expected HL-LHC luminosity of $\mathcal{L}$=7.5$\times10^{34}$cm$^{-2}$s$^{-1}$. The architecture of the system is strongly defined by the GBTx data aggregation ASIC, the newly-introduced FELIX data router and the software based data handler of the ATLAS detector. The electronics complex of this new detector was designed and developed in the last ten years and consists of multiple radiation tolerant Application Specific Integrated Circuits, multiple front-end boards, dense boards with FPGA's and purpose-built Trigger Processor boards within the ATCA standard. The New Small Wheel has been installed in 2021 and is undergoing integration within ATLAS for LHC Run 3. It should operate through the end of Run 4 (December 2032). In this manuscript, the overall design of the New Small Wheel electronics is presented.
Autores: G. Iakovidis, L. Levinson, Y. Afik, C. Alexa, T. Alexopoulos, J. Ameel, D. Amidei, D. Antrim, A. Badea, C. Bakalis, H. Boterenbrood, R. S. Brener, S. Chan, J. Chapman, G. Chatzianastasiou, H. Chen, M. C. Chu, R. M. Coliban, T. Costa de Paiva, G. de Geronimo, R. Edgar, N. Felt, S. Francescato, M. Franklin, T. Geralis, K. Gigliotti, P. Giromini, P. Gkountoumis, I. Grayzman, L. Guan, J. Guimaraes da Costa, L. Han, S. Hou, X. Hu, K. Hu, J. Huth, M. Ivanovici, G. Jin, K. Johns, E. Kajomovitz, G. Kehris, I. Kiskiras, A. Koulouris, E. Kyriakis, A. Lankford, L. Lee, H. Leung, F. Li, Y. Liang, H. Lu, N. Lupu, V. Martinez, S. Martoiu, D. Matakias, I. Mehalev, I. Mesolongitis, P. Miao, G. Mikenberg, L. Moleri, P. Moschovakos, J. Narevicius, J. Oliver, D. Pietreanu, R. Pinkham, E. Politis, V. Polychronakos, S. Popa, M. M. Prapa, I. Ravinovich, A. Roich, R. A. Rojas Caballero, Y. Rozen, M. Schernau, T. Schwartz, G. Scott, O. Shaked, M. Solis, S. Sun, A. Taffard, S. Tang, Z. Tarem, W. Tse, Y. Tu, A. Tuna, P. Tzanis, S. Tzanos, R. Vari, M. Vasile, A. Vdovin, J. Vermeulen, J. Wang, X. Wang, A. Wang, R. Wang, X. Xiao, L. Yao, C. Yildiz, K. Zachariadou, B. Zhou, J. Zhu, S. U. Zimmermann, O. Zormpa
Última actualización: 2023-05-25 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2303.12571
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2303.12571
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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