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

(CMS Collaboration) Adam, W.; Bergauer, T.; Damanakis, K.; Dragicevic, M.; Fruehwirth, R.; Steininger, H.; Beaumont, W.; Darwish, M. R.; Janssen, T.; Van Mechelen, P.; Breugelmans, N.; Delcourt, M.; De Moor, A.; D'Hondt, J.; Heyen, F.; Lowette, S.; Makarenko, I.; Muller, D.; Tytgat, M.; Vannerom, D.; Van Putte, S.; Allard, Y.; Clerbaux, B.; Caviglia, F.; Dansana, S.; Das, A.; De Lentdecker, G.; Evard, H.; Favart, L.; Khalilzadeh, A.; Lee, K.; Malara, A.; Robert, F.; Thomas, L.; Vanden Bemden, M.; Vanlaer, P.; Yang, Y.; Benecke, A.; Bethani, A.; Bruno, G.; Caputo, C.; De Favereau, J.; Delaere, C.; Donertas, I. S.; Giammanco, A.; Jain, S.; Lemaitre, V.; Lidrych, J.; Mondal, K.; Szilasi, N.; Tran, T. T.; Wertz, S.; Brigljevic, V.; Chitroda, B.; Ferencek, D.; Jakovcic, K.; Mishra, S.; Starodumov, A.; Susa, T.; Brucken, E.; Lampen, T.; Tuominen, E.; Karadzhinova-Ferrer, A.; Luukka, P.; Petrow, H.; Tuuva, T.; Agram, J. -L.; Andrea, J.; Bloch, D.; Bonnin, C.; Brom, J. -M.; Chabert, E.; Collard, C.; Dangelser, E.; Falke, S.; Goerlach, U.; Gross, L.; Haas, C.; Krauth, M.; Ollivier-Henry, N.; Saha, G.; Vaucelle, P.; Baulieu, G.; Bonnevaux, A.; Boudoul, G.; Caponetto, L.; Chanon, N.; Contardo, D.; Dupasquier, T.; Galbit, G.; Greenberg, C.; Marchisone, M.; Mirabito, L.; Nodari, B.; Purohit, A.; Schibler, E.; Schirra, F.; Vander Donckt, M.; Viret, S.; Adamowicz, K.; Botta, V.; Ebisch, C.; Feld, L.; Karpinski, W.; Klein, K.; Lipinski, M.; Louis, D.; Meuser, D.; Oppenlaender, V.; Oezen, I.; Pauls, A.; Roewert, N.; Teroerde, M.; Wlochal, M.; Beckers, M.; Dziwok, C.; Fluegge, G.; Hoeflich, N.; Pooth, O.; Stahl, A.; Wyszkowska, W.; Ziemons, T.; Agah, A.; Baxter, S.; Bhattacharya, S.; Blekman, F.; Campbell, A.; Cardini, A.; Cheng, C.; Rodriguez, S. Consuegra; Eckerlin, G.; Eckstein, D.; Gallo, E.; Guthoff, M.; Kleinwort, C.; Mankel, R.; Maser, H.; Mussgiller, A.; Nuernberg, A.; Petersen, H.; Rastorguev, D.; Reichelt, O.; Rostamvand, L.; Schuetze, P.; Pramod, L. Sreelatha; Stever, R.; Valieiev, T.; Velyka, A.; Barroso, A. Ventura; Walsh, R.; Yakopov, G.; Zakharov, S.; Zuber, A.; Albrecht, A.; Antonello, M.; Biskop, H.; Connor, P.; Garutti, E.; Haller, J.; Jabusch, H.; Kasieczka, G.; Klanner, R.; Kuo, C. C.; Kutzner, V.; Lange, J.; Martens, S.; Mrowietz, M.; Nissan, Y.; Pena, K.; Raciti, B.; Schaarschmidt, J.; Schleper, P.; Schwandt, J.; Steinbrueck, G.; Tews, A.; Wellhausen, J.; Ardila, L.; Balzer, M.; Barvich, T.; Berger, B.; Butz, E.; Caselle, M.; Dierlamm, A.; Elicabuk, U.; Fuchs, M.; Hartmann, F.; Husemann, U.; Koppenhoefer, R.; Maier, S.; Mallows, S.; Mehner, T.; Muller, Th.; Neufeld, M.; Regnery, B.; Rehm, W.; Shvetsov, I.; Simonis, H. J.; Steck, P.; Stockmeier, L.; Topko, B.; Wittig, F.; Anagnostou, G.; Daskalakis, G.; Kazas, I.; Kyriakis, A.; Loukas, D.; Balazs, T.; Marton, K.; Sikler, F.; Veszpremi, V.; Bahinipati, S.; Das, A.; Dey, T.; Mal, P.; Nayak, A.; Pal, K.; Pattanaik, D. K.; Pradhan, S.; Swain, S. K.; Bhardwaj, A.; Jain, C.; Kumar, A.; Kumar, T.; Ranjan, K.; Saumya, S.; Tiwari, K.; Baradia, S.; Dutta, S.; Sarkar, S.; Behera, P. K.; Behera, S. C.; Chatterjee, S.; Dash, G.; Jana, P.; Kalbhor, P.; Libby, J.; Mohammad, M.; Pradhan, R.; Pujahari, P. R.; Saha, N. R.; Samadhan, K.; Sikdar, A. K.; Singh, R.; Verma, S.; Vijay, A.; Cariola, P.; Creanza, D.; de Palma, M.; De Robertis, G.; Di Florio, A.; Fiore, L.; Loddo, F.; Margjeka, I.; Mastrapasqua, V.; Mongelli, M.; My, S.; Silvestris, L.; Albergo, S.; Costa, S.; Lapertosa, A.; Di Mattia, A.; Potenza, R.; Tricomi, A.; Tuve, C.; Assiouras, P.; Barbagli, G.; Bardelli, G.; Brianzi, M.; Camaiani, B.; Cassese, A.; Ceccarelli, R.; Ciaranfi, R.; Ciulli, V.; Civinini, C.; D'Alessandro, R.; Focardi, E.; Kello, T.; Latino, G.; Lenzi, P.; Lizzo, M.; Meschini, M.; Paoletti, S.; Papanastassiou, A.; Sguazzoni, G.; Viliani, L.; Cerchi, S.; Ferro, F.; Robutti, E.; Brivio, F.; Dinardo, M. E.; Dini, P.; Gennai, S.; Guzzi, L.; Malvezzi, S.; Menasce, D.; Moroni, L.; Pedrini, D.; Azzi, P.; Bacchetta, N.; Bortignon, P.; Bisello, D.; Dorigo, T.; Lusiani, E.; Tosi, M.; Gaioni, L.; Manghisoni, M.; Ratti, L.; Re, V.; Riceputi, E.; Traversi, G.; Baldinelli, G.; Bianchi, F.; Bilei, G. M.; Bizzaglia, S.; Caprai, M.; Checcucci, B.; Ciangottini, D.; Di Chiaro, A.; Croci, T.; Fano, L.; Farnesini, L.; Ionica, M.; Magherini, M.; Mantovani, G.; Mariani, V.; Menichelli, M.; Morozzi, A.; Moscatelli, F.; Passeri, D.; Piccinelli, A.; Placidi, P.; Rossi, A.; Santocchia, A.; Spiga, D.; Storchi, L.; Tedeschi, T.; Turrioni, C.; Asenov, P.; Azzurri, P.; Bagliesi, G.; Basti, A.; Battacharya, R.; Beccherle, R.; Benvenuti, D.; Bianchini, L.; Boccali, T.; Bosi, F.; Bruschini, D.; Castaldi, R.; Ciocci, M. A.; D'Amante, V.; Dell'Orso, R.; Donato, S.; Giassi, A.; Ligabue, F.; Magazzu, G.; Massa, M.; Mazzoni, E.; Messineo, A.; Moggi, A.; Musich, M.; Palla, F.; Prosperi, P.; Raffaelli, F.; Rizzi, A.; Chowdhury, S. Roy; Sarkar, T.; Spagnolo, P.; Tenchini, F.; Tenchini, R.; Tonelli, G.; Vaselli, F.; Venturi, A.; Verdini, P. G.; Bartosik, N.; Bashir, F.; Bellan, R.; Coli, S.; Costa, M.; Covarelli, R.; Demaria, N.; Botta, S. Garrafa; Grippo, M.; Luongo, F.; Mecca, A.; Migliore, E.; Ortona, G.; Pacher, L.; Rotondo, F.; Tarricone, C.; Ambrozas, M.; Chychkalo, N.; Juodagalvis, A.; Rinkevicius, A.; Ahmad, A.; Asghar, M. I.; Awais, A.; Awan, M. I. M.; Khan, W. A.; Saleh, M.; Sohail, I.; Calderon, A.; Duarte Campderros, J.; Fernandez, M.; Gomez, G.; Gonzalez Sanchez, F. J.; Jaramillo Echeverria, R.; Lasaosa, C.; Moya, D.; Piedra, J.; Ruiz Jimeno, A.; Scodellaro, L.; Vila, I.; Virto, A. L.; Vizan Garcia, J. M.; Abbaneo, D.; Abbas, M.; Ahmed, I.; Albert, E.; Allongue, B.; Almeida, J.; Barinoff, M.; Lopes, J. Batista; Bergamin, G.; Blanchot, G.; Boyer, F.; Caratelli, A.; Carnesecchi, R.; Ceresa, D.; Christiansen, J.; Cianchetta, P. F.; Daguin, J.; Diamantis, A.; Frank, N.; French, T.; Golyzniak, D.; Grygiel, B.; Kloukinas, K.; Kottelat, L.; Kovacs, M.; Kristic, R.; Lalic, J.; La Rosa, A.; Lenoir, P.; Loos, R.; Marchioro, A.; Dominguez, I. Mateos; Mersi, S.; Michelis, S.; Nedergaard, C.; Onnela, A.; Orfanelli, S.; Pakulski, T.; Papadopoulos, A.; Albela, F. Perea; Perez, A.; Gomez, F. Perez; Pernot, J. -F.; Petagna, P.; Piazza, Q.; Robin, G.; Scarfi, S.; Schleidweiler, K.; Siegrist, N.; Szidlik, P.; Troska, J.; Tsirou, A.; Vasey, F.; Vrancianu, R.; Wlodarczyk, S.; Zografos, A.; Adelmann, A.; Bertl, W.; Bevilacqua, T.; Caminada, L.; Daum, M.; Ebrahimi, A.; Erdmann, W.; Horisberger, R.; Kaestli, H. -C.; Kirch, K.; Knecht, A.; Kotlinski, D.; Lange, C.; Langenegger, U.; Meier, B.; Missiroli, M.; Noehte, L.; Papa, A.; Rohe, T.; Sakurai, M.; Schmidt-Wellenburg, P.; Streuli, S.; Androsov, K.; Backhaus, M.; Becker, R.; Bonomelli, G.; di Calafiori, D.; Calandri, A.; de Cosa, A.; Donega, M.; Eble, F.; Glessgen, F.; Grab, C.; Harte, T.; Hits, D.; Koch, S.; Lustermann, W.; Niedziela, J.; Perovic, V.; Ristic, B.; Roeser, U.; Ruini, D.; Seidita, R.; Sorensen, J.; Wallny, R.; Bartschi, P.; Bosiger, K.; Canelli, F.; Cormier, K.; De Wit, A.; Gadola, N.; Huwiler, M.; Jin, W.; Jofrehei, A.; Kilminster, B.; Leontsinis, S.; Liechti, S. P.; Macchiolo, A.; Maier, R.; Meng, F.; Stager, F.; Neutelings, I.; Reimers, A.; Robmann, P.; Cruz, S. Sanchez; Shokr, E.; Takahashi, Y.; Wolf, D.; Chen, P. -H.; Hou, W. -S.; Lu, R. -S.; Clement, E.; Cussans, D.; Goldstein, J.; Holmberg, M. -L.; Sanjrani, S.; Harder, K.; Manolopoulos, K.; Schuh, T.; Shepherd-Themistocleous, C.; Tomalin, I. R.; Bainbridge, R.; Brown, C.; Fedi, G.; Hall, G.; Mastronikolis, A.; Parker, D.; Pesaresi, M.; Uchida, K.; Coldham, K.; Cole, J.; Khan, A.; Kyberd, P.; Reid, I. D.; Bartek, R.; Dominguez, A.; Simsek, A. E.; Uniyal, R.; Hernandez, A. M. Vargas; Benelli, G.; Heintz, U.; Hinton, N.; Hogan, J.; Honma, A.; Korotkov, A.; Li, D.; Luo, J.; Narain, M.; Pervan, N.; Russell, T.; Sagir, S.; Simpson, F.; Spencer, E.; Venkatasubramanian, N.; Wagenknecht, P.; Barton, B.; Cannaert, E.; Chertok, M.; Conway, J.; Hemer, D.; Jensen, F.; Thomson, J.; Wei, W.; Yohay, R.; Zhang, F.; Hanson, G.; Cooperstein, S. B.; Giannini, L.; Gu, Y.; Guyang, J.; Krutelyov, S.; Mukherjee, S.; Sharma, V.; Tadel, M.; Vourliotis, E.; Yagil, A.; Incandela, J.; Kyre, S.; Masterson, P.; Vami, T.; Cumalat, J. P.; Ford, W. T.; Hart, A.; Hassani, A.; Herrmann, M.; Karathanasis, G.; Pearkes, J.; Savard, C.; Schonbeck, N.; Stenson, K.; Ulmer, K. A.; Wagner, S. R.; Zipper, N.; Zuolo, D.; Alexander, J.; Bright-Thonney, S.; Chen, X.; Duquette, A.; Fan, J.; Fan, X.; Filenius, A.; Grassi, J.; Hogan, S.; Kotamnives, P.; Lantz, S.; Monroy, J.; Niendorf, G.; Oshiro, M.; Postema, H.; Reichert, J.; Riley, D.; Ryd, A.; Smolenski, K.; Strohman, C.; Thom, J.; Wittich, P.; Zou, R.; Bakshi, A.; Berry, D. R.; Burkett, K.; Butler, D.; Canepa, A.; Derylo, G.; Dickinson, J.; Ghosh, A.; Gonzalez, H.; Grunendahl, S.; Horyn, L.; Johnson, M.; Klabbers, P.; Lee, C.; Lei, C. M.; Lipton, R.; Los, S.; Merkel, P.; Nahn, S.; Ravera, F.; Ristori, L.; Rivera, R.; Spiegel, L.; Uplegger, L.; Voirin, E.; Zoi, I.; Franco, R. Escobar; Evdokimov, A.; Evdokimov, O.; Gerber, C. E.; Hawksworth, M.; Hofman, D. J.; Mills, C.; Ozek, B.; Roy, T.; Rudrabhatla, S.; Wadud, M. A.; Yoo, J.; Blend, D.; Bruner, T.; Haag, M.; Nachtman, J.; Onel, Y.; Snyder, C.; Yi, K.; Davis, J.; Gritsan, A. V.; Kang, L.; Kyriacou, S.; Maksimovic, P.; Roguljic, M.; Sekhar, S.; Swartz, M.; Bean, A.; Grove, D.; Salvatico, R.; Smith, C.; Wilson, G.; Ivanov, A.; Kalogeropoulos, A.; Reddy, G.; Taylor, R.; Bloom, K.; Claes, D. R.; Haza, G.; Hossain, J.; Joo, C.; Kravchenko, I.; Siado, J.; Hsia, H. W.; Iashvili, I.; Kharchilava, A.; Nguyen, D.; Rappoccio, S.; Sfar, H. Rejeb; Cholak, S.; DeCastro, G.; Demiragli, Z.; Fangmeier, C.; Fulcher, J.; Gastler, D.; Golf, F.; Jeon, S.; Rohlf, J.; Li, J.; McCarthy, R.; Parker, A.; Skinnari, L.; Hahn, K.; Liu, Y.; McGinnis, M.; Monk, D.; Noorudhin, S.; Taliercio, A.; Basnet, A.; De Los Santos, R.; Hill, C. S.; Joyce, M.; Winer, B.; Yates, B.; Malik, S.; Sharma, R.; Chawla, R.; Jones, M.; Jung, A.; Koshy, A.; Liu, M.; Negro, G.; Schulte, J. -F.; Thieman, J.; Zhong, Y.; Dolen, J.; Parashar, N.; Pathak, A.; Agrawal, A.; Ecklund, K. M.; Nussbaum, T.; Demina, R.; Dulemba, J.; Flor, A. Herrera; Hindrichs, O.; Gadkari, D.; Gershtein, Y.; Halkiadakis, E.; Kurup, C.; Lath, A.; Nash, K.; Osherson, M.; Saha, P.; Schnetzer, S.; Stone, R.; Ally, D.; Fiorendi, S.; Harris, J.; Holmes, T.; Lee, L.; Nibigira, E.; Spanier, S.; Eusebi, R.; D'Angelo, P.; Johns, W. (2024) Measurement of the fractional radiation length of a pixel module for the CMS Phase-2 upgrade via the multiple scattering of positrons. Journal of Instrumentation, 19 (10). ISSN 1748-0221

	PDF - Published Version - article Available under License Creative Commons Attribution. Download (16MB)
	PDF - Submitted Version - article Available under License Creative Commons Attribution. Download (18MB)

Abstract

High-luminosity particle collider experiments such as the ones planned at the High-Luminosity Large Hadron Collider require ever-greater vertexing precision of the tracking detectors, necessitating reductions in the material budget of the detectors. Traditionally, the fractional radiation length (x/X-0) of detectors is either estimated using known properties of the constituent materials, or measured in dedicated runs of the final detector. In this paper, we present a method of direct measurement of the material budget of a CMS prototype module designed for the Phase-2 upgrade of the CMS detector using a 40-65 MeV positron beam. A total of 630 million events were collected at the Paul Scherrer Institut PiE1 experimental area using a three-plane telescope consisting of the prototype module as the central plane, surrounded by two MALTA monolithic pixel detectors. Fractional radiation lengths were extracted from scattering angle distributions using the Highland approximation for multiple scattering. A statistical technique recovered runs suffering from trigger desynchronisation, and several corrections were introduced to compensate for local inefficiencies related to geometric and beam shape constraints. Two regions of the module were surveyed and yielded average x/X-0 values of (0.72 +/- 0.05)% and (0.95 +/- 0.09)%, which are compatible with empirical estimates for these regions computed from known material properties of 0.753% and 0.892%, respectively. Two types of higher-granularity maps of the fractional radiation length were produced, subdivided either into rectangular regions of uniform size, or polygonal-shaped regions of uniform material composition. The results bode well for the CMS Phase-2 upgrade modules, which will play a key role in the minimisation of the material of the upgraded detector.

Item Type:	Article
Uncontrolled Keywords:	detector design and construction technologies and materials; particle tracking detectors (Solid-state detectors); detector modelling and simulations I (interaction of radiation with matter, interaction of photons with matter, interaction of hadrons with matter, etc); instrumentation for particle accelerators and storage rings - low energy (linear accelerators, cyclotronselectrostatic accelerators)
Subjects:	NATURAL SCIENCES NATURAL SCIENCES > Physics NATURAL SCIENCES > Physics > Physics of Elementary Particles and Fields
Divisions:	Division of Experimental Physics
Depositing User:	Virna Brumnić
Date Deposited:	07 Apr 2026 08:06
URI:	http://fulir.irb.hr/id/eprint/11587
DOI:	10.1088/1748-0221/19/10/P10023

Actions (login required)

View Item