Preparazione e Analisi di un Test Beam per l'Upgrade del Readout del Calorimetro Elettromagnetico di CMS

The High Luminosity upgrade of the LHC at CERN will deliver unprecedented integrated and instantaneous luminosity, leading to an average of 140-200 collisions per bunch-crossing. In the barrel region of the CMS Electromagnetic Calorimeter (ECAL) the entire readout and trigger electronics will be replaced. The lead tungstate crystals and avalanche photodiodes will be kept, but their operational temperature will be reduced to mitigate the radiation-induced noise. The calorimeter signals will be amplified by the dual gain trans-impedance amplifier CATIA ASIC. The LiTE-DTU ASIC will then provide sampling at 160 MHz, data processing, loss-less compression, and data transmission. The trigger decision will be performed off-detector by the Barrel Calorimeter Processor, consisting of powerful and flexible FPGAs. The upgraded ECAL is expected to match the current energy performances while greatly improving on timing. The thesis work focuses on the data analysis of the last ECAL test beam of November 2022. This was the first with the entire electron chain installed on a large scale, with 200 crystals exposed to an electron beam of variable energy on the CERN H4 line. The analysis was carried out with the ROOT C++ framework, integrating code implemented by me to the analysis software already present. In the first part of the analysis, quality checks on the acquired data were carried out, which allowed to evaluate the functionality and criticality of the individual components. In the second part, the energy and timing performances of the new readout have been extracted. With the experience gained during the analysis I contributed to the preparation of the next ECAL test beam scheduled for the end of July 2023, the set-up operations of which are described. ​

IL LHC al CERN con l’aggiornamento High Luminosity sarà in grado di fornire una luminosità istantanea e integrata senza precedenti, con un numero medio di collisioni per bunch crossing di 140-200. Nella regione del Barrel del Calorimetro Elettromagnetico (ECAL) di CMS, l'intera elettronica di lettura e trigger verrà ridisegnata. I cristalli di tungstato di piombo e gli APD verranno mantenuti, ma si ridurrà la temperatura operativa per mitigare il rumore indotto dalle radiazioni. I segnali saranno amplificati con doppio guadagno dal chip CATIA. Saranno poi campionati dall’ASIC LiTE-DTU a 160 MHz e trasmessi dopo una compressione online e loss-less. Le decisioni di trigger saranno eseguite off-detector dal Barrel Calorimeter Processor, costituito da FPGA potenti e flessibili. Grazie a questi aggiornamenti, ECAL raggiungerà prestazioni energetiche simili a quelle attuali, con un notevole miglioramento della risoluzione temporale. Il lavoro di tesi si concentra sull’analisi dati dell'ultimo test beam di ECAL di Novembre 2022. Questo è stato il primo con l'intera catena elettronica installata su larga scala, con 200 cristalli esposti a un fascio di elettroni di energia variabile sulla linea H4 del CERN. L’analisi è stata effettuata con il framework ROOT C++, integrando codice implementato da me al software di analisi già presente. Nella prima parte di analisi sono stati effettuati controlli di qualità dei dati acquisiti, che hanno permesso di valutare le funzionalità e criticità dei singoli componenti. Nella seconda parte le prestazioni energetiche e temporali del nuovo readout sono state calcolate. Con l’esperienza maturata durante l’analisi ho contribuito alla preparazione del prossimo test beam di ECAL in programma a fine luglio 2023, le cui operazioni di allestimento sono descritte.