Construction and beam-tests of silicon-tungsten prototype modules for the CMS High Granularity Calorimeter for HL-LHC
作为其HL-LHC升级计划的一部分，CMS正在开发一种高粒度量热计（HGCAL），以取代现有的端盖量热计。HGCAL将被实现为一个采样量热计，包括一个电磁隔室，该电磁隔室包括28层硅垫探测器，垫面积为0.5 - 1.0平方厘米，其间散布着吸收剂。原型模块，基于6英寸的六边形硅垫传感器与128个通道，已建成，并包括许多所需的功能，这一具有挑战性的探测器。2016年，FNAL和CERN使用Skiroc 2前端芯片（为ILC的CALICE实验设计）对这些模块制成的采样配置进行了光束测试。2017年，该装置被扩展为CALICE AHCAL原型，这是一种基于scinitillator的采样量热计，并在CERN的专用光束测试中进行了进一步测试。在那里，新的Skiroc 2-CMS前端ASIC首次被使用。我们重点介绍了2016年研究的最终结果，包括位置分辨率和精确定时测量。此外，还讨论了2017年的扩展设置，并显示了电子和π介子束流测试的第一个结果。
2017-12-20 hep-ex physics.ins-det
The Silicon Sensors for the High Granularity Calorimeter of CMS
高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）的安装在事件率、积分亮度和辐射暴露方面对紧凑型μ子螺线管（CMS）等实验提出了前所未有的挑战。为了应对这一新环境，CMS第二阶段升级期间将安装新的探测器，包括用“高粒度量热仪”（HGCAL）替换量热仪端盖，其中包含硅传感器和反射器作为有源元件。硅传感器将采用8”晶圆工艺生产，这对于高能物理来说是全新的，因此需要进行广泛的质量验证。第一批原型传感器在CMS合作研究所进行了电气测试。测试揭示了薄背面保护层的机械稳定性的主要问题，这在通过不同背面处理方法生产的早期6”原型中没有看到。根据这些结果，HGCAL小组引入了“正面偏置”的概念，允许在不暴露其背面的情况下测试传感器，验证了适用性，并调整了原型设计，以在批量生产中应用这种方法。
2020-06-29 hep-ex physics.ins-det
Machine Learning for Event Reconstruction in the CMS Phase-2 High Granularity Calorimeter Endcap
CMS Phase-2 高分辨率 calorimeter 端帽采用机器学习技术改进事件重建，以利用高空间分辨率和精确时间信息。
2025-12-08 hep-ex physics.ins-det
Status and Plans for the CMS High Granularity Calorimeter Upgrade Project
CMS合作正在准备为HL-LHC时代建造替换端盖量热计。顾名思义，新型高粒度量热计（HGCAL）是一种高粒度采样量热计，具有约600万个硅传感器通道（约1000个通道）。1.1cm 2或0.5cm 2单元）和用片上硅光电倍增器读出的闪烁体片的约25万个通道。量热计被设计用于在HL-LHC的恶劣辐射环境中工作，其中每个束团交叉的平均相互作用次数预计超过140。除了测量能量和能量沉积物的位置外，电子设备还被设计用于测量它们到达的时间，精度约为50 ps。本文总结了HGCAL背后的推理和想法，描述了该项目的现状，并强调了未来的一些挑战。
2021-11-24 hep-ex physics.app-ph physics.ins-det
Quartz Plate Calorimetry for CMS HE Upgrade
对CMS数据的分析和基于这些结果的模拟预测表明，CMS强子端盖量能器（HE）瓦中的电流衰减器的性能将在高亮度LHC（HL-LHC）时代急剧下降。为了继续该区域的物理程序，需要更换HE瓦片。新瓷砖应具有可比/改进的性能，抗辐射，可靠和坚固。
2013-08-29 hep-ex physics.acc-ph physics.ins-det
Precision electromagnetic calorimetry at the energy frontier: CMS ECAL at LHC Run 2
CMS电磁量热计（ECAL）是一种高分辨率、密封和均匀的量热计，由75，848个结晶钨酸铅晶体制成。继发现希格斯玻色子后，CMS ECAL处于精确测量和在大型强子对撞机数据中寻找新物理的最前沿，大型强子对撞机最近开始以前所未有的13 TeV能量产生碰撞。CMS ECAL的卓越精度及其计时性能是LHC Run 2发现新物理的宝贵工具。ECAL的卓越性能依赖于随时间推移保持的精确校准，即使在恶劣的辐照条件下。使用不同物理通道的一组相互校准过程以规则的间隔进行，以归一化通道之间的晶体光透明度和光电检测器响应的差异，其可以由于累积的辐射而改变。在这次演讲中，我们提出了新的重建算法和校准策略，旨在保持甚至提高CMS ECAL在运行2的新挑战条件下的优异性能。
2015-10-09 hep-ex physics.ins-det
GNN-based end-to-end reconstruction in the CMS Phase 2 High-Granularity Calorimeter
我们提出了目前阶段的研究进展，朝着一个通过，完全基于机器学习（ML）的成像量热计重建。所使用的模型基于图神经网络（GNNs），并直接分析每个HGCAL端帽中的命中。ML算法被训练为通过用相同的簇索引标记命中来预测源自相同入射粒子的命中的簇。我们施加简单的标准，以评估是否作为一个集群的预测相关联的命中匹配的命中从任何特定的个人入射粒子。通过模拟两个HGCAL端盖中的两个tau轻子来研究该算法，其中每个tau可以根据其测量的标准模型分支概率来衰变。模拟包括tau衰变产物的材料相互作用，其可能产生入射到量热计上的额外粒子。使用这种不同的多粒子环境，我们可以研究这种重建技术的应用，并开始表征能量遏制和性能。
2022-03-02 hep-ex physics.ins-det
Precision Calorimetry at HL-LHC: Upgrade of the CMS Electromagnetic Calorimeter
CMS探测器的电磁热量计（ECAL）在实验的物理程序中发挥了重要作用，在整个数据采集过程中提供了出色的性能。高亮度LHC将带来新的挑战。每束交叉的相互作用数量增加四到五倍将需要更高的时间分辨率和噪声抑制能力。由于这些原因，电子读数已完全重新设计。一个双增益跨阻抗放大器和一个ASIC提供两个160 MHz的ADC通道，增益选择和数据压缩将用于新的读出电子。触发决策将被移出检测器，并将由功能强大且灵活的FPGA处理器执行，从而允许应用更复杂的触发算法。升级后的ECAL将能够在整个HL-LHC中进行高精度的能量测量，并将大大提高10 GeV以上光子和电子的时间分辨率。
2021-06-08 hep-ex physics.ins-det
Timing Performance of the CMS High Granularity Calorimeter Prototype
本研究针对CMS HGCAL原型开展定时性能评估，经多步校准后利用20-300GeV正电子束测试，得到单通道60ps、高能全簇射优于20ps的定时分辨率，为其在HL-LHC的应用提供支撑。
2023-12-22 physics.ins-det
Process Quality Control Strategy for the Phase-2 Upgrade of the CMS Outer Tracker and High Granularity Calorimeter
在2025年至2027年之间，CMS（紧凑型μ子螺线管）探测器的一些基本组件-最值得注意的是跟踪器和量热计端盖-将升级为HL-LHC（高亮度大型强子对撞机）条件。升级后的CMS外部跟踪器和新CMS高粒度量热仪（HGCAL）的部件将包括超过$50{,}000$的新硅传感器，覆盖总面积约为$800\,\text{m}^{2}$。传感器系列生产需要专门的策略来监控生产过程的质量和稳定性。该策略是基于一个测试结构集，提供了快速，方便地访问关键工艺参数。这些参数包括传感器上无法直接获取的参数（例如氧化物电荷浓度和界面陷阱密度）以及需要进行潜在破坏性测量的参数（例如介电强度）。在每个生产晶圆上至少实施两次该集合。它分为用于最相关工艺参数的初始评估的测试结构和用于深入分析的结构。所有结构都可以使用20针探针卡和自动定位平台进行接触。使用该系统，可以在大约30分钟内对一个晶片进行初步分析。在本文中，CMS协作提出了第2阶段升级的质量保证计划，重点是过程质量控制。我们介绍了传感器工艺细节、将在CMS外部跟踪器和HGCAL的生产运行中实施的测试结构集布局以及说明所含测试结构功能的测量结果。
2020-03-24 hep-ex physics.ins-det
Influence of the high granularity calorimeter stainless steel absorbers onto the Compact Muon Solenoid inner magnetic field
紧凑型μ子螺线管（CMS）探测器是欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的通用实验装置，用于研究在质量能量为13 TeV的质子-质子碰撞中产生新粒子。第三轮数据采集于2022年4月开始，将持续到2025年底。然后，在一个长的关闭时间，现有的CMS强子端盖量热计将被替换为一个新的高粒度量热计（HGCal）设计的更高的LHC光度。HGCal包含不锈钢吸收板，其相对磁导率限制为1.05，这是根据作用在这种微磁性材料上的电磁力估计得出的。为了排除带电粒子跟踪系统的区域中的内部磁通量密度的可能扰动的意外情况，在不锈钢的磁导率的该极限值下研究该附加材料对内部跟踪器体积内的磁场的质量的影响。CMS磁体的三维模型用于此目的。首次将表征带电粒子动量分辨率的磁场双积分方法应用于CMS探测器，并在期刊上发表。用这种方法得到的结果进行了详细介绍和讨论。
2022-10-11 hep-ex physics.ins-det
The CMS High-Granularity Calorimeter for Operation at the High-Luminosity LHC
高亮度LHC（HL-LHC）将集成比LHC高10倍的亮度，对探测器的辐射耐受性和事件堆积提出了重大挑战，特别是对于前向量热法，并标志着未来对撞机的问题。作为其HL-LHC升级计划的一部分，CMS合作正在设计一种高粒度量热计，以取代现有的端盖量热计。它具有前所未有的横向和纵向分割电磁（ECAL）和强子（HCAL）隔间。这将促进粒子流量热法，其中可以测量簇射的精细结构并用于增强堆积排斥和粒子识别，同时仍然实现良好的能量分辨率。ECAL和大部分HCAL将基于0.5至1 cm $^2$单元尺寸的六边形硅传感器，其余HCAL基于具有SiPM读出的高度分段的放大器。硅传感器固有的高精度计时能力将为事件重建增加额外的维度，特别是在堆积拒绝方面。HGCAL项目的概述，包括动机，工程设计，读出和触发的概念，和预期的性能。
2018-02-16 hep-ex physics.ins-det
Calculation of Forces on the High Granularity Calorimeter Stainless Steel Absorber Plates in the Compact Muon Solenoid Magnetic Field
本文计算了CMS探测器新型高粒度端盖量能器（HGCal）不锈钢吸收板在3.8 T磁场中的轴向电磁力，为机械结构设计提供关键依据。
2024-01-05 hep-ex physics.ins-det
Functional Verification for Endcap Concentrator ASICs in the High-Granularity Calorimeter Upgrade of CMS
CERN（欧洲核子研究中心）；University of Split（斯普利特大学）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；Baylor University（贝勒大学）
本文基于UVM方法学对CMS高粒度calorimeter升级中端cap集中器ASICs进行功能验证，重点在于利用现有组件管理验证环境复杂性。
2026-01-23 hep-ex physics.ins-det
SNOWMASS WHITE PAPER - SLHC Endcap 1.4<y<4 Hadron Optical Calorimetry Upgrades in CMS with Applications to NLC/T-LEP, Intensity Frontier, and Beyond
在LHC和SLHC的CMS实验中，HE端盖量热计1.4 <y <4中的塑料闪烁体和/或读出WLS光纤中的辐射损伤将需要在2018年之后进行修复。我们描述了一种替代方案，使用现有的黄铜吸收剂在端盖量热计，取代塑料闪烁体瓷砖与氟化钡瓷砖，或石英瓷砖涂有薄（1 - 5微米）的抗辐射pTerphenyl（pTP）或快速荧光粉ZnO：Ga的薄膜。这些瓦片将被读出的直线，平行WLS光纤耦合到明确的塑料包层石英光纤的证明抗辐射容易更换阵列。我们描述了第二种替代方案，其具有在新型模拟粒子流切伦科夫补偿量热计中延伸至1.4 <y <4的新吸收体矩阵，使用石英瓦片和闪烁（塑料、BaF 2或pTP/ZnO：Ga薄膜涂覆的石英或液体闪烁体）瓦片的双重读出，还使用耦合至透明石英传输光纤的平行WLS光纤的易于更换的阵列用于读出。模拟粒子流闪烁器-切伦科夫补偿量热计在NLC/T-LEP探测器和强度前沿探测器中有应用。
2013-08-23 physics.ins-det
Silicon Photomultipliers in the CMS Upgrade
University of Notre Dame（圣母大学）；Institute of Nuclear Research（核物理研究所）
本文讨论硅光电倍增管在CMS探测器升级中的广泛应用，包括Phase I和Phase II阶段的实施，以及针对不同子探测器面临的挑战和解决方案。
2026-06-15 physics.ins-det
The k4Clue package: Empowering Future Collider Experiments with the CLUE Algorithm
本研究开发了集成于Gaudi框架、支持EDM4hep格式的k4Clue软件包，验证CLUE算法在多种未来对撞机探测器上的优异重建与时序性能，证明其跨实验的通用性与应用潜力。
2023-11-06 hep-ex physics.ins-det
Snowmass White Paper CMS Upgrade: Forward Lepton-Photon System
本白皮书概述了一个升级的前向区域的建议，以扩展CMS轻子（e，mu）和光子物理达到2.2<eta<5，用于LHC和SLHC，这也为现有或新的前向强子量热法提供了更好的性能，用于喷射能量和（eta，phi）测量，特别是在高流明的堆积/重叠下，随着LHC亮度，能量和辐射损伤的增加。
2013-08-12 physics.ins-det
Versatile systems for characterization of large-area silicon pad sensors for highly-granular calorimetry
利用硅垫传感器作为主要活性材料的高粒度量热计正在为CMS端盖量热计升级而设计，并已被提议用于CLIC、ILC和FCC-ee的电磁量热计。预计此类实验中的硅传感器将覆盖非常大的O（$\mathrm{m^2}$）面积。它们通常由6或8英寸的晶片制成，由几百个较小的单元组成，每个单元的面积为O（0.1至1.1 $\mathrm{cm^2}$）。目前，CMS端盖热量计升级处于原型阶段，目的是选择最终的传感器设计。灵活的系统需要尽可能接近操作条件的快速传感器表征，用于测试不同的原型和批量生产期间的质量控制。ARRAY系统由一个具有512个输入通道的有源开关矩阵PCB和一个专用于每个传感器布局原型的无源探针卡组成。探针卡通过弹簧加载引脚与每个焊盘接触。ARRAY设计用于测量不同偏置电压下每个单元的漏电流和电容，使整个传感器区域保持偏置。Hexaboard探针卡遵循类似的原理：预计将在最终CMS检测器中使用的读出电子设备安装在PCB上，该PCB通过弹簧加载引脚与传感器接触。它用于使用辐照传感器进行噪声和电荷收集效率测量，而无需模块组装。我们提出了阵列和Hexaboard系统的设计以及在不同的CMS原型硅传感器上进行的测量。我们还比较了结果与替代多针设置。
2020-04-02 physics.ins-det
200 mm Sensor Development Using Bonded Wafers
在过去的30年里，由高电阻率、浮区、硅材料制成的传感器一直是顶点探测器和跟踪器的基础。对于现有CMS跟踪器，这些器械的面积已从几平方厘米增加到$\> 200\ m^2$。高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）、CMS和ATLAS跟踪器升级将分别需要超过$200\ m^2$的硅，CMS高粒度量热计（HGCAL）将需要超过$600\ m^2$。这些设备的组装成本和复杂性与每个模块的面积有关，而每个模块的面积又由硅传感器的尺寸决定。除了大面积外，器件必须抗辐射，这需要使用薄至200微米或更小的传感器。晶片薄化和大晶片直径的组合是一个重大的技术挑战，也是这项工作的主题。我们描述了薄传感器的$200 mm$晶片上使用晶片键合技术的发展工作。报道了浮区、绝缘体上硅和硅-硅键合晶片技术的开发结果。
2020-09-02 hep-ex physics.ins-det
Experimental Challenges of the European Strategy for Particle Physics
在计划CMS和ATLAS的第二阶段升级时，主要考虑因素是：1）能够处理跟踪和量热法的退化，直到辐射剂量达到预期的积分亮度为3000 $fb^{-1}$; 2）将物理性能保持在约140的堆积水平。在这里，我报告的工作范围内开始的CMS前向量热工作组，并继续在一个扩大的欧洲核子研究中心RD 52 R $&$ D程序集成定时（即测量物理对象的到达时间）作为一个潜在的工具堆积缓解和想法前向量热。在过去的4年里，我们的小组一直专注于在$~10^6-10^7$ Hz/ $cm^2 $的环境中，在10-20皮秒的水平上进行精确计时，这适合于LHC（HL-LHC时代）的未来运行。10-20皮秒的时间分辨率是LHC减少堆积的少数明确标准之一，因为束流交叉的相互作用时间的均方根为170皮秒。虽然在其他情况下（即ALICE R $&$ D）的带电粒子计时工作开始接近这种精度，但基本上没有技术可以维持这些速率的性能。我将介绍我们在美国能源部高级探测器R $&$ D计划中开发的跟踪器的结果，该计划现在符合这些要求。我还将回顾我们小组开发的热量计项目（PHENIX EMCAL和ATLAS ZDC）的一些结果，这些项目实现了热量计计时精度< 100皮秒。
2013-10-07 hep-ex physics.ins-det
Response of a CMS HGCAL silicon-pad electromagnetic calorimeter prototype to 20-300 GeV positrons
紧凑型μ子螺线管合作正在设计一种新的高粒度端盖量热计HGCAL，将在本十年晚些时候安装。作为这项开发工作的一部分，建立了一个原型系统，其电磁部分由14个双面结构组成，提供28个采样层。每个采样层都有一个六边形模块，其中多焊盘大面积硅传感器被粘在电子电路板和金属基板之间。大约1 cm $^2$的传感器焊盘通过引线键合到电路板上，并由定制集成电路读出。该原型于2018年在CERN的超级质子同步加速器上进行了广泛的光束测试。正电子束收集的数据的基础上，与能量范围从20到300 GeV，测量的能量分辨率和线性度，位置和角分辨率，和簇射形状的介绍和比较详细的Geant 4模拟。
2022-03-31 hep-ex physics.ins-det
Tile Multiple-Readout Compensated Calorimetry
我们建议将平行光纤双读出量热法扩展到瓷砖，更适用于许多未来的实验要求，具有优越的能量分辨率。蒙特卡罗（MC）的研究表明，瓷砖双热量计，包括一个完整的切伦科夫补偿的电子-米前端和进一步的纵向分割，不可能与平行的纤维，具有同等或更好的分辨率。除了与双瓦量热计数据进行比较和调整外，MC还可以扩展到研究其他双瓦传感器，然后是多瓦传感器，包括对具有低折射率的EM强子簇射波动具有更高对比度的瓦（比石英或塑料低得多）、过渡辐射、二次发射、氢/非氢电离感测、以及中子和离子碎片感测瓦片，用于改进光纤不可用的双重读出，并超过三倍或更多的读出。例如，二次发射瓦片（如倍增器电极）对离子碎片和低能中子非常敏感。我们建议MC研究添加Cerenkov和其他瓷砖粒子流/高粒度瓷砖量能器，如CALICE和计划在CMS和ATLAS第三阶段升级，研究未来的机器（ee，pp，ep）探测器，b-物理，标记中微子实验，和空间为基础的量能器组。
2022-03-14 astro-ph.HE hep-ex nucl-ex
Charge Collection and Electrical Characterization of Neutron Irradiated Silicon Pad Detectors for the CMS High Granularity Calorimeter
计划于2027年为高亮度LHC（HL-LHC）更换紧凑型μ子螺线管（CMS）探测器中现有的端盖量热计，将是一个高粒度量热计。它将提供详细的位置，能量和时间信息的电磁和强子簇射在巨大的堆积的HL-LHC。高粒度量热计（HGCAL）将使用120-、200-和300- $μ\textrm{m}$厚的硅（Si）垫传感器作为主要活性材料，并将维持高达约$10^{16}~\textrm{n}_\textrm{eq}\textrm{cm}^{-2}$的1-MeV中子当量注量。为了解决由强辐射环境引起的Si探测器的性能退化，在两个反应器中对来自8英寸和6英寸晶片的测试二极管样品进行辐照活动。辐照后的电气和电荷收集特性的表征涉及两个散装极性的三个传感器厚度。由于硅传感器将在-30 $^\circ$ C下操作以减少随着注量增加的体漏电流，因此用红外TCT装置在-30 $^\circ$ C下进行30个辐照样品的电荷收集研究。TCAD模拟结果在较低的注量与实验结果是密切一致的，并提供预测的传感器性能的较低的注量区域的实验研究未覆盖。所有研究的传感器显示60 $\%$或更高的电荷收集效率在其各自的最高寿命能量密度时，在800 V下操作，并显示以上90 $\%$在最低能量密度，在600 V。收集的电荷接近的$10^{16}~\textrm{n}_\textrm{eq}\textrm{cm}^{-2}$的能量密…
2020-08-04 physics.ins-det
Leakage current of high-fluence neutron-irradiated 8" silicon sensors for the CMS Endcap Calorimeter Upgrade
研究高通量中子辐照下8英寸硅传感器的漏电流特性，用于CMS端帽calorimeter升级。
2026-07-27 physics.ins-det
Calorimetry with Deep Learning: Particle Simulation and Reconstruction for Collider Physics
Univ. of Chicago（芝加哥大学）；European Organization for Nuclear Research (CERN)（欧洲核子研究组织）；Univ. of Texas Arlington（德克萨斯大学阿灵顿分校）；Univ. of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；UET Peshawar（白沙瓦工程技术大学）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Univ. of California, San Diego（加利福尼亚大学圣迭戈分校）；Univ. of Helsinki（赫尔辛基大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
使用量热计簇射的详细模拟作为训练数据，我们研究了使用深度学习算法来模拟和重建高能物理碰撞中产生的粒子。我们训练神经网络的淋浴数据在量热计单元水平，并显示显着的改进，模拟和重建时，使用这些网络相比，依赖于目前使用的最先进的算法的方法。我们定义了两个模型：一个端到端的重建网络，当给定量热计簇射数据时，该网络同时执行粒子识别和粒子的能量回归，以及一个生成网络，该生成网络可以在指定的角度和能量下为不同的粒子类型提供量热计簇射的合理建模。我们研究了超参数扫描模型的优化。此外，我们证明了重建模型的适用性，从其他探测器的几何形状，特别是ATLAS和CMS的几何形状的淋浴输入。这些网络可以作为快速和计算轻的粒子簇射模拟和重建在粒子对撞机的当前和未来的实验方法。
2020-01-08 cs.CV cs.LG hep-ex
Performance of the CMS High Granularity Calorimeter prototype to charged pion beams of 20$-$300 GeV/c
本文报告了CMS高粒度量能器原型在CERN束流测试中对20–300 GeV/c带电π介子的能量响应、分辨率及簇射轮廓性能，并与GEANT4模拟对比验证。
2023-05-27 physics.ins-det
Using graph neural networks to reconstruct charged pion showers in the CMS High Granularity Calorimeter
本文提出一种基于图神经网络和动态缩减网络架构的 CMS HGCAL 强子簇射能量重建新方法，能有效补偿簇射涨落并缓解能量泄漏影响，在 2018 年测试束数据中验证了其优越性能。
2024-12-18 hep-ex physics.data-an physics.ins-det
Annealing behaviour of charge collection of neutron irradiated diodes from 8-inch p-type silicon wafers
本研究针对高亮度LHC的CMS HGCAL探测器，测试了新型8英寸p型硅pad二极管在中子辐照下的电荷收集与60°C等温退火行为，为高注量区域传感器厚度选择及停机期退火效应评估提供依据。
2025-07-01 hep-ex physics.ins-det
