Commissioning and Performance Studies of the PPS Pixel Tracking Detector

The Precision Proton Spectrometer (PPS) is a subdetector of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, operating at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Its purpose is to measure the track and the time of flight of protons that lost part of their momentum when interacting and survived. These protons, due to their high energy, remain within the beam envelope until they get detected by the magnetic fields used by the LHC machine to steer the beam. At about 200 m from the CMS interaction point, mechanical structures called "Roman Pots" allow to insert the PPS tracking and timing detectors within the beam pipe to intersect the proton trajectory, getting as close as 1.3 mm from the beam center. In this environment the high irradiation poses a heavy threat to the detector performance, requiring the implementation of radiation-hard technologies. Furthermore, its high non-uniformity strongly challenges the electronic readout. This thesis is focused on the commissioning and performance study of the 3D pixel tracking detector. 3D sensors use columnar electrodes etched through the silicon bulk, promising to withstand particle fluences up to 10e16 neq/cm2. After introducing the Precision Proton Spectrometer and the physics case, the detector installed and the physics principles underlying their behaviour are presented, with particular accent on radiation damage issues. The testing and calibration procedures performed on the 3D pixel modules follow, with a description of the main operations carried out during the data taking. The last part is dedicated to the detector performance studies during 2017 and 2018 data taking. Particular emphasis is placed on efficiency measurements, since the applied strategies to mitigate the radiation damage effects during 2017 imposed the development of innovative estimation methods and guided the choices for 2018 data taking.

Il Precision Proton Spectrometer (PPS) è un sottorivelatore dell'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS), installato al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Il suo obiettivo è misurare la traccia ed il tempo di volo dei protoni che hanno perso una piccola parte della loro energia nell'interazione e sono sopravvissuti ad essa. Questi protoni, per via della loro alta energia, rimangono all'interno dell'inviluppo del fascio finchè non vengono deflessi dai campi magnetici usati dal LHC. A circa 200 m dal punto di interazione di CMS, strutture meccaniche chiamate "Roman Pots" permettono di inserire rivelatori di tracciamento e tempo di volo all'interno del tubo a vuoto in cui si trova il fascio di protoni, avvicinandosi fino a 1.3 mm dal suo centro. In queste condizioni, l'alto irraggiamento minaccia fortemente la erformance del rivelatore, richiedendo l'utilizzo di tecnologie disegnate ppositamente per resistere alle radiazioni. Inoltre, l'alta non uniformità dell'irraggiamento rappresenta un'ardua sfida per l'elettronica di lettura. Questa tesi si concentra sulla preparazione dei rivelatori, la loro installazione, messa in funzione per la presa dati del 2018 e sullo studio della performance del rivelatore di tracciamento a pixel 3D. I sensori 3D utilizzano elettrodi a forma di colonna scavati all'interno del corpo di silicio e resistono a irraggiamenti dell'ordine di 10e16 neq/cm2. Dopo un'introduzione al Precision Proton Spectrometer ed alla fisica che permette di studiare, vengono presentati i rivelatori utilizzati ed i principi fisici alla base del loro funzionamento, ponendo particolare accento sulle problematiche del danno da radiazione. Segue la descrizione delle procedure di test e calibrazione, eseguite sui moduli a pixel 3D installati per la presa dati del 2018 e la descrizione delle principali operazioni durante la stessa. Infine, l'ultima parte è dedicata agli studi della performance del rivelatore di tracciamento a pixel durante gli anni 2017 e 2018. Particolare accento è posto sulla misura dell'efficienza, poiché le strategie messe in atto durante il 2017 al fine di mitigare gli effetti del danno da radiazione hanno reso necessario lo sviluppo di metodi innovativi per la stima di questo parametro ed hanno influenzato le scelte sulla strategia per la presa dati nel 2018.