DOE PAGES title logo U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information

Title: Measurement of the fractional radiation length of a pixel module for the CMS Phase-2 upgrade via the multiple scattering of positrons

Journal Article · · JINST
 [1];  [1];  [1];  [1];  [1];  [1];  [2];  [2];  [2];  [2];  [2];  [3];  [3];  [3];  [3];  [3];  [3];  [3];  [3];  [3] more »;  [3];  [3];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [4];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [5];  [6];  [6]; ORCiD logo [6];  [6];  [6];  [6];  [6];  [7];  [8];  [8];  [9];  [9];  [9];  [9];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [10];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [11];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [12];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [13];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [14];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15]; ORCiD logo [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [15];  [16];  [16];  [16];  [16];  [16];  [17];  [17];  [17];  [17];  [18];  [19];  [18];  [18];  [18];  [18];  [18];  [18];  [18];  [20];  [20];  [20];  [20];  [20];  [20];  [20];  [21];  [21];  [21];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [22];  [23];  [23];  [23];  [23];  [23];  [23];  [23];  [23];  [23];  [23];  [23];  [23];  [24];  [24];  [24];  [24];  [24];  [24];  [24];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [25];  [26];  [26];  [26];  [27];  [27];  [27];  [27];  [27];  [27];  [27];  [27];  [27];  [28];  [28];  [28];  [28];  [28];  [28];  [28];  [29];  [29];  [29];  [29];  [29];  [29];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [30];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [32];  [31]; ORCiD logo [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31];  [31]; ORCiD logo [31];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33];  [33]; ORCiD logo [33];  [34];  [34];  [34];  [34];  [35];  [35];  [35];  [35];  [35];  [35];  [35];  [36];  [36];  [36];  [36];  [36];  [36]; ORCiD logo [36];  [36];  [36];  [36];  [36];  [36];  [36];  [36];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [37];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38];  [38]; ORCiD logo [38];  [38];  [38];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39]; ORCiD logo [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [39];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [40];  [41];  [41];  [41];  [42];  [42];  [42];  [42]; ORCiD logo [42];  [43];  [43];  [43];  [43];  [43];  [44];  [44];  [44];  [44]; ORCiD logo [44];  [44];  [44];  [44];  [45];  [45];  [45];  [45];  [45];  [46];  [46];  [46];  [46];  [46];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [47];  [48];  [48];  [48];  [48];  [48];  [48];  [48];  [48];  [48];  [48];  [49];  [50];  [50];  [50];  [50];  [50];  [50];  [50];  [50];  [50];  [50];  [51];  [51];  [51];  [51];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [52];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [53];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [54]; ORCiD logo [54]; ORCiD logo [54];  [54];  [54];  [54];  [54]; ORCiD logo [54];  [54];  [54];  [54];  [54];  [55];  [55];  [55];  [55];  [55];  [55];  [55];  [55];  [55];  [55];  [55];  [55];  [56];  [56];  [56];  [56];  [56];  [56];  [56];  [57];  [57];  [57];  [57];  [57];  [57];  [57];  [57];  [58];  [58];  [58];  [58];  [58];  [59];  [59];  [59];  [59];  [60];  [60];  [60];  [60];  [60];  [60];  [60];  [61];  [61];  [61];  [61];  [61];  [61];  [62];  [62];  [62];  [62];  [62];  [62];  [62];  [62];  [62];  [63];  [63];  [63];  [63]; ORCiD logo [64];  [64];  [64];  [64];  [64];  [64];  [65];  [65];  [65];  [65];  [65];  [65];  [66];  [66];  [67];  [67];  [67];  [67];  [67];  [67];  [67];  [67];  [67];  [68];  [68];  [68];  [69];  [69];  [69];  [70];  [70];  [70];  [70];  [71];  [71];  [71];  [71];  [71];  [71];  [71];  [71];  [71];  [71];  [72];  [72];  [72];  [72];  [72];  [72];  [72];  [73];  [74];  [74] « less
  1. Vienna, OAW
  2. Antwerp U.
  3. Vrije U., Brussels
  4. Brussels U.; INFN, Rome
  5. Louvain U.
  6. Boskovic Inst., Zagreb
  7. Helsinki U.
  8. Helsinki Inst. of Phys.
  9. Lappeenranta U. Tech.
  10. Strasbourg, IPHC
  11. IP2I, Lyon
  12. Aachen, Tech. Hochsch.
  13. DESY
  14. Hamburg U.
  15. KIT, Karlsruhe
  16. Democritos Nucl. Res. Ctr.
  17. Wigner RCP, Budapest; Debrecen, Inst. Nucl. Res.
  18. NISER, Jatni
  19. Antwerp U.; NISER, Jatni
  20. Delhi Tech. U.
  21. Saha Inst.
  22. Indian Inst. Tech., Madras
  23. INFN, Bari
  24. Catania U.; INFN, Catania
  25. Florence U.; INFN, Florence
  26. INFN, Genoa
  27. INFN, Milan Bicocca
  28. INFN, Padua; Padua U., Astron. Dept.
  29. INFN, Pavia
  30. INFN, Perugia; Perugia U.
  31. Pisa, Scuola Normale Superiore
  32. LBL, Berkeley
  33. INFN, Turin
  34. Vilnius U.
  35. NCP, Islamabad
  36. Cantabria Inst. of Phys.
  37. CERN; RWTH Aachen U.
  38. PSI, Villigen
  39. Zurich, ETH
  40. Zurich U.
  41. Taiwan, Natl. Taiwan U.
  42. U. Bristol (main)
  43. Rutherford
  44. Imperial Coll., London
  45. Brunel U.
  46. Catholic U.
  47. Brown U.
  48. UC, Davis
  49. UC, Riverside (main)
  50. San Diego U.
  51. UC, Santa Barbara
  52. Colorado U.
  53. Cornell U.
  54. Fermilab
  55. Chicago U.
  56. Iowa U.
  57. Johns Hopkins U.
  58. Kansas U.
  59. Kansas State U.
  60. Nebraska U.
  61. SUNY, Buffalo
  62. Boston U.
  63. Northeastern U.
  64. Northwestern U.
  65. Ohio State U.
  66. Puerto Rico U., Mayaguez
  67. Purdue U.
  68. Purdue U., Calumet
  69. Rice U.
  70. Rochester U.
  71. Rutgers U., Piscataway
  72. Tennessee U.
  73. Texas A-M
  74. Vanderbilt U.

High-luminosity particle collider experiments such as theones planned at the High-Luminosity Large Hadron Collider requireever-greater vertexing precision of the tracking detectors,necessitating reductions in the material budget of the detectors.Traditionally, the fractional radiation length (x/X$$_{0}$$) ofdetectors is either estimated using known properties of theconstituent materials, or measured in dedicated runs of the finaldetector. In this paper, we present a method of direct measurementof the material budget of a CMS prototype module designed for thePhase-2 upgrade of the CMS detector using a 40–65 MeV positronbeam. A total of 630 million events were collected at the PaulScherrer Institut PiE1 experimental area using a three-planetelescope consisting of the prototype module as the central plane,surrounded by two MALTA monolithic pixel detectors. Fractionalradiation lengths were extracted from scattering angle distributionsusing the Highland approximation for multiple scattering. Astatistical technique recovered runs suffering from triggerdesynchronisation, and several corrections were introduced tocompensate for local inefficiencies related to geometric and beamshape constraints. Two regions of the module were surveyed andyielded average x/X$$_{0}$$ values of (0.72 ± 0.05)% and(0.95 ± 0.09)%, which are compatible with empirical estimatesfor these regions computed from known material properties of 0.753%and 0.892%, respectively. Two types of higher-granularity maps ofthe fractional radiation length were produced, subdivided eitherinto rectangular regions of uniform size, or polygonal-shapedregions of uniform material composition. The results bode well forthe CMS Phase-2 upgrade modules, which will play a key role in theminimisation of the material of the upgraded detector.

Research Organization:
RWTH Aachen U.; Delhi Tech. U.; Perugia U.; Helsinki Inst. of Phys.; Puerto Rico U., Mayaguez; Kansas U.; INFN, Bari; Antwerp U.; INFN, Turin; UC, Riverside (main); Aachen, Tech. Hochsch.; Purdue U., Calumet; Kansas State U.; Vienna, OAW; INFN, Catania; KIT, Karlsruhe; Strasbourg, IPHC; UC, Davis; INFN, Rome; DESY; Boskovic Inst., Zagreb; Iowa U.; Catholic U.; Rice U.; INFN, Padua; San Diego U.; Boston U.; Cornell U.; PSI, Villigen; Democritos Nucl. Res. Ctr.; Lappeenranta U. Tech.; Debrecen, Inst. Nucl. Res.; Florence U.; CERN; Pisa, Scuola Normale Superiore; INFN, Perugia; Nebraska U.; Colorado U.; Rutgers U., Piscataway; Zurich U.; Padua U., Astron. Dept.; NCP, Islamabad; Catania U.; Louvain U.; Johns Hopkins U.; NISER, Jatni; Vanderbilt U.; Tennessee U.; Ohio State U.; INFN, Genoa; Purdue U.; Rochester U.; Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, CA (United States); Zurich, ETH; Saha Inst.; Northwestern U.; Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Indian Inst. Tech., Madras; U. Bristol (main); IP2I, Lyon; Imperial Coll., London; Vrije U., Brussels; Brunel U.; Brown U.; INFN, Pavia; Northeastern U.; Taiwan, Natl. Taiwan U.; Cantabria Inst. of Phys.; Brussels U.; Helsinki U.; Rutherford; Vilnius U.; Hamburg U.; INFN, Florence; Wigner RCP, Budapest; UC, Santa Barbara; Chicago U.; SUNY, Buffalo; Texas A-M; INFN, Milan Bicocca
Sponsoring Organization:
US Department of Energy
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359; 89243024CSC000002
OSTI ID:
2467474
Report Number(s):
CERN-CMS-NOTE-2024-005; FERMILAB-PUB-24-0655-CMS; oai:inspirehep.net:2808942; arXiv:2407.13721
Journal Information:
JINST, Journal Name: JINST Journal Issue: 10 Vol. 19
Country of Publication:
United States
Language:
English