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Title: Test beam performance measurements for the Phase I upgrade of the CMS pixel detector

A new pixel detector for the CMS experiment was built in order to cope with the instantaneous luminosities anticipated for the Phase~I Upgrade of the LHC. The new CMS pixel detector provides four-hit tracking with a reduced material budget as well as new cooling and powering schemes. A new front-end readout chip mitigates buffering and bandwidth limitations, and allows operation at low comparator thresholds. Here in this paper, comprehensive test beam studies are presented, which have been conducted to verify the design and to quantify the performance of the new detector assemblies in terms of tracking efficiency and spatial resolution. Under optimal conditions, the tracking efficiency is $$99.95\pm0.05\,\%$$, while the intrinsic spatial resolutions are $$4.80\pm0.25\,\mu \mathrm{m}$$ and $$7.99\pm0.21\,\mu \mathrm{m}$$ along the $$100\,\mu \mathrm{m}$$ and $$150\,\mu \mathrm{m}$$ pixel pitch, respectively. The findings are compared to a detailed Monte Carlo simulation of the pixel detector and good agreement is found.
Authors:
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  1. Inst. for High Energy Physics, Wien (Austria)
  2. Helsinki Inst. of Physics (Finland)
  3. Univ. of Helsinki (Finland). Dept. of Physics
  4. Lappeenranta Univ. of Technology, Lappeenranta (Finland)
  5. Univ. de Lyon, Villeurbanne (France). Inst. de Physique Nucleaire de Lyon
  6. Univ. de Strasbourg (France)
  7. RWTH Aachen Univ. (Germany). I. Physikalisches Inst.
  8. Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Hamburg (Germany)
  9. Univ. of Hamburg (Germany)
  10. Karlsruhe Inst. of Technology (KIT) (Germany). Inst. fur Experimentelle Kernphysik
  11. Karlsruhe Inst. of Technology (KIT) (Germany). Inst. fur Experimentelle Kernphysik
  12. Wigner Research Centre for Physics, Budapest (Hungary)
  13. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Bari (Italy)
  14. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Bari (Italy); Politecnico di Bari (Italy)
  15. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Bari (Italy); Univ. of Bari (Italy)
  16. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Catania (Italy); Univ. of Catania (Italy)
  17. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Catania (Italy)
  18. Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), Firenze (Italy); Univ. di Firenze (Italy)
  19. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Milano-Bicocca (Italy); Univ. di Milano-Bicocca (Italy)
  20. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Milano-Bicocca (Italy)
  21. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Padova (Italy)
  22. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Padova (Italy); Univ. di Padova (Italy)
  23. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Perugia (Italy); Univ. di Perugia (Italy)
  24. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Perugia (Italy)
  25. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Pisa (Italy)
  26. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Pisa (Italy); Univ. of Pisa (Italy)
  27. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Pisa (Italy); Scuola Normale Superiore (SNS), Pisa (Italy)
  28. European Organization for Nuclear Research (CERN), Geneva (Switzerland)
  29. Federal Inst. of Technology, Zurich (Switzerland). Inst. for Particle Physics
  30. Univ. of Zurich (Switzerland)
  31. Paul Scherrer Inst. (PSI), Villigen (Switzerland)
  32. National Taiwan Univ., Taipei (Taiwan)
  33. Univ. of Bristol (United Kingdom)
  34. Brunel Univ., Uxbridge (United Kingdom)
  35. Imperial College, London (United Kingdom)
  36. Science and Technology Facilities Council (STFC), Oxford (United Kingdom). Rutherford Appleton Lab. (RAL)
  37. Univ. of California, Davis, CA (United States)
  38. Univ. of California, Riverside, CA (United States)
  39. The Catholic Univ. of America, Washington, DC (United States)
  40. Univ. of Colorado, Boulder, CO (United States)
  41. Fermi National Accelerator Lab. (FNAL), Batavia, IL (United States)
  42. Univ. of Illinois, Chicago, IL (United States)
  43. The Ohio State Univ., Columbus, OH (United States)
  44. Purdue Univ. Calumet, Hammond, IN (United States)
  45. Purdue Univ., West Lafayette, IN (United States)
  46. Univ. of Kansas, Lawrence, KS (United States)
  47. Kansas State Univ., Manhattan, KS (United States)
  48. Johns Hopkins Univ., Baltimore, MD (United States)
  49. Univ. of Mississippi, Oxford, MS (United States)
  50. Univ. of Nebraska, Lincoln, NE (United States)
  51. Rutgers Univ., Piscataway, NJ (United States)
  52. Univ. of Puerto Rico, Mayaguez (Puerto Rico)
  53. State Univ. of New York (SUNY), Buffalo, NY (United States)
  54. Cornell Univ., Ithaca, NY (United States)
  55. Rice Univ., Houston, TX (United States)
  56. Vanderbilt Univ., Nashville, TN (United States)
  57. Univ. of Tennessee, Knoxville, TN (United States)
Publication Date:
Report Number(s):
FERMILAB-PUB-17-217-CMS; CMS-NOTE-2017-002
Journal ID: ISSN 1748-0221; 1602169
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359
Type:
Accepted Manuscript
Journal Name:
Journal of Instrumentation
Additional Journal Information:
Journal Volume: 12; Journal Issue: 05; Journal ID: ISSN 1748-0221
Publisher:
Institute of Physics (IOP)
Research Org:
Fermi National Accelerator Lab. (FNAL), Batavia, IL (United States)
Sponsoring Org:
USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP) (SC-25)
Country of Publication:
United States
Language:
English
Subject:
46 INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY; 72 PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS; Particle tracking detectors (Solid-state detectors); Solid state detectors; Radiation-hard detectors
OSTI Identifier:
1367899