Deformation studies on CMS endcap modules and misalignment studies on the CMS tracker [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stefan König

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• Physik
• Astronomie

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 63
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

1
\Deformation Studies on CMS Endcap Modules and Misalignment Studies on the
CMS Tracker"
Von der Fakult at fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
Rheinisch-Westf alischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Stefan K onig
aus Aachen
Berichter: Univ.-Professor Dr. Stefan Schael
Apl.-Professor Dr. Wolfgang Braunschweig
Tag der mundlic hen Prufung: 30.07.2003
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar.2Contents
1 Introduction 9
1.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 The Higgs Boson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 The LHC - A New PP Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Higgs Physics at the LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 The Compact Muon Solenoid Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.1 The Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.2 The Magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.3 The HCAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.4 The ECAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6 The CMS Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6.1 The Pixel Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.7 The Silicon Microstrip Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.7.1 The Tracker Support Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7.2 The Laser Alignment System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.2.1 Motivation for the Laser Alignment System . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.2.2 Layout of the Laser Alignment System . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 Deformation Measurements on CMS Detector Modules 27
2.1 Deformations of the CMS Endcap Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.1 The TEC Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.2 Stresses in TEC Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.3 Anti Deformation Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 An optical Approach to Measure Surface Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Measurement Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 Optical Survey of the Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 Reconstruction Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 The Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 Design Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Description of the Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.1 The Calibration Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.2 Accuracy of the Dot Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.3 Working Principle of the Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.4 Calibration of the Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5 Measurements on Test Structures and Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.1 Measurement Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.2 Firstts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.3 Investigations on Heat Collecting Pieces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.4 Wafer Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5.5 Optimization of the Hybrid Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
34 CONTENTS
3 Misalignment Studies on the CMS Tracker 59
3.1 Tracker Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1 Sources of Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.2 E ects oft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.3 Alignment Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Possible Deformations in the CMS Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1 Deformation Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1.1 Initial Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1.2 Misalignment during the Operation of CMS . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 E ect of the Optical Alignment System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2.1 Laser Alignment Level One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2.2 Lasert Level Two . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 Simulation of Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.1 Analysis Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.2 Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.3 Event Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.4 Event Sample Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.5 Event Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4 Simulation of Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.1 Misalignment with ORCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5.1 De nition of E ciency and Fake Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5.2 Determination of the Alignment Position Error . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5.2.1 Impact of the APE on an aligned Tracker . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5.2.2 APE Setting for the Misaligned Tracker . . . . . . . . . . . . . . . 72
+3.5.3 The Z! μ μ Event Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5.3.1 Investigation of E ciency and Fake Rate . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.3.2 Inv of the Transverse Momentum Resolution . . . . . . . 76
3.5.3.3 Perfectly Aligned Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.3.4 No Laser Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5.3.5 Lasert Level One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.3.6 Laser Alignment Level Two . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.3.7 Comparison of the Misalignment Cases . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.3.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5.4 The bb! Jets Event Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5.4.1 Results on E ciency and Fake Rate with the bb! Jets event sample 86
3.5.4.2 Detailed Look on the Laser Alignment for Nominal Deformation . 89
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4 Conclusions 93
4.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.1.1 Deformation Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.1.2 Misalignment Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Acknowledgements 95
A Production of Prototype Modules 97
B Surface Reconstruction Algorithm for the Test Stand 99
C Determination of the Test Stand Geometry 103
D Initial Module Design and Changes 105CONTENTS 5
E Frame Material and Glue Datasheets 107
F Track nding Procedure 113
G Event Production Data cards 117
H Lebenslauf 1236 CONTENTSPreface
This thesis deals with deformations and misalignment of the CMS tracker for single Si-modules as
well as for the subdetectors that build the tracker.
In the rst chapter an introduction to the standard model of high energy physics is given
together with the motivation for the new proton proton collider LHC and the CMS experiment
located at the CERN site.
Chapter two deals with the development of a test stand to measure the deformation of Si-
endcap modules. Several measurements on test structures and modules are described. The results
presented there led to a change in the module design for the endcap modules summarised in
appendix D.
The third chapter is about simulations concerning the misalignment of the CMS tracker. The
e ect of di erent cases of misalignment is discussed. As a main issue, the impact of the laser
alignment system on the performance of the CMS tracker is evaluated.
Conclusions are drawn in the fourth chapter.
78 CONTENTSChapter 1
Introduction
1This chapter presents brie y the motivation for the CMS experiment. It starts by introducing the
standard model of high energy physics (see sec. 1.1). After that the mechanism of