Research and development in cylindrical triple-GEM detector with µTPC readout for the BESIII experiment

La terza generazione del Beijing Electron Spectrometer, BESIII, è un apparato per la ricerca in fisica delle alte energie, per la scoperta di nuove particelle e per misurare con elevata precisione le loro proprietà cosi da confermare o confutare le teorie ed i modelli creati dai fisici teorici. Il tracciatore interno assieme agli altri rivelatori assicura la ricostruzione di eventi che avvengono su scale sub-atomiche. I regimi altamente radioattivi ne possono compromettere l’operabilitità e rivelotori innovativi sono necessari per garantire prestazioni sempre più elevate e per migliorare la ricerca scientifica di BESIII. L’odierno tracciatore interno sta degradando le sue capacità di rivelazione a causa di fenomeni di invecchiamento e deve essere sostituito per permettere a BESIII di svolgere una ricerca scientifica competitiva con gli altri esperimenti presenti sul pianeta e per continuare a svolgere una ricerca di alto livello. I rivelatori a tripla-GEM sono una risposta a queste necessità non solo per mantere le stesse prestazioni dell’odierno tracciatore ma anche per migliorarne la risoluzione spaziale lungo la direzione del fascio. La tecnologia può sostenere elevate dosi di radiazione senza perdere le sue qualità. BESIII inoltre potrà estendere le tipologie di misure svolte attraverso le triple-GEM come ad esempio la ricostruzione dei vertici secondari. La sfida è di rendere cilindrica questa tecnologia, con tecniche simili a quelle usate da KLOE-2, e contemporaneamente mantenere piccole le sue dimensioni a causa di limitazioni spaziali in BESIII per sempre garantendo una risoluzione spaziale sul piano trasverso migliore di 150 μm indipendentemente dall’angolo di incidenza delle tracce e dal campo magnetico di 1 T. Nel periodo tra il 2014 e il 2018 il CGEM-IT è stato disegnato e costruito. Attraverso una serie di test su fascio e simulazioni è stata ottimizzata la geometrica dell’oggetto e la configurazione elettrica per operarlo. Un nuovo ASIC, chiamato TIGER, è stato sviluppato per estrarre le informazioni di carica e tempo del rivelatore. Questo permette di misurare la posizione delle tracce che interagiscono col CGEM-IT. Due algoritmi sono stati utilizzati per questo scopo, il centroide di carica e la μTPC, una nuova tecnica introdotta da ATLAS nelle MicroMegas e sviluppata per la prima volta qui per rivelatori a tripla-GEM. La fase R&D è cominciata con prototipi a tripla-GEM planari e poi è continuata con i rivelatori cilindrici che saranno installati in BESIII Infine un software di simulazione è stato sviluppato per aumetare la conoscenza dei processi fisici delle triple-GEM cosi da riprodurne i meccanismi di rivelazione e le loro prestazioni. Il software è stato inserito all’interno di quello di BESIII che simula, ricostruisce e analizza gli eventi generati. Le prestazione del nuovo tracciatore sono state quindi studiate attraverso l’analisi di un canale di benchmark per validare i miglioramenti del CGEM-IT.

he third generation of the Beijing Electron Spectrometer, BESIII, is an apparatus for the high energy physics research through the hunting of new particles and the measurement of their properties with higher precisio to confirm or refute the theories or models invented by theoretical physicists. The inner tracker together with other sub-detectors ensures the reconstruction of events belonging to the sub-atomic domain. The high radiation regime compromises its operation and a more sophisticate detector is needed to guarantee even better performance to improve the physics research field of BESIII. The current inner tracker is showing a worsening due to aging effects then a replacement is needed to be competitive with other experiments in the world and to perform high quality research. The triple-GEM detector is an answer to this requirement to maintain the excellent performance of the inner tracker while improving the spatial resolution in the beam direction and exploiting a technology that can sustain very high beam rate and radiation levels without worsening its performance. Thanks to the triple-GEM, new features will be appended to the BESIII list, such as the reconstruction of secondary vertices. The challenge is to give it a cylindrical shape, similarly to KLOE-2, keeping it relatively small due to space limitation and ensuring detection efficiency and a stable spatial resolution better than 150 μm independently from the track incident angle and the 1 T magnetic field. In the period 2014-2018 the CGEM-IT has been designed and built. Through several test beam and simulations the optimal configuration from the geometrical and electrical points of view has been found. A new ASIC, named TIGER, has been developed to readout charge amplitude and time information from the detector signal. This allows to measure the position of the charged particle interacting with the CGEM-IT. Two algorithms have been used for this purpose, the charge centroid and the μTPC, a new technique introduced by ATLAS in MicroMegas and developed here for the first time for triple-GEM detector. The R&D phase started with planar triple-GEM chambers and continued on the CGEM detector that will be installed in BESIII. A simulation software has been developed to improve the knowledge of the detection processes in a triple-GEM and to reproduce its behavior and performances. The software has been included the one of BESIII used for the events simulation, reconstruction and analysis. The performance of the new inner tracker has been evaluated through the analysis of a benchmark channel.