Upgrade of the CMS resistive plate chambers for the high luminosity LHC

During the upcoming High Luminosity phase of the Large Hadron Collider (HL-LHC), the integrated luminosity of the accelerator will increase to 3000 fb−1. The expected experimental conditions in that period in terms of background rates, event pileup, and the probable aging of the current detectors present a challenge for all the existing experiments at the LHC, including the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment. To ensure a highly performing muon system for this period, several upgrades of the Resistive Plate Chamber (RPC) system of the CMS are currently being implemented. These include the replacement of the readout system for the present system, and the installation of two new RPC stations with improved chamber and front-end electronics designs. The current overall status of this CMS RPC upgrade project is presented.

Design and Description of the CMS Magnetic System Model

This review describes the composition of the Compact Muon Solenoid (CMS) detector and the methodology for modelling the heterogeneous CMS magnetic system, starting with the formulation of the magnetostatics problem for modelling the magnetic flux of the CMS superconducting solenoid enclosed in a steel flux-return yoke. The review includes a section on the magnetization curves of various types of steel used in the CMS magnet yoke. The evolution of the magnetic system model over 20 years is presented in the discussion section and is well illustrated by the CMS model layouts and the magnetic flux distribution.

Mechanical and Microstructural Characterisation of Cooling Pipes for the Compact Muon Solenoid Experiment at CERN

The Compact Muon Solenoid (CMS) is a particle physics experiment situated on the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, Switzerland. The CMS upgrade (planned for 2025) involves installing a new advanced sensor system within the CMS tracker, the centre of the detector closest to the particle collisions. The increased heat load associated with these sensors has required the design of an enhanced cooling system that exploits the latent heat of 40 bar CO2. In order to minimise interaction with the incident radiation and improve the detector performance, the cooling pipes within this system need to be thin-walled (~100 μm) and strong enough to withstand these pressures. The purpose of this paper is to analyse the microstructure and mechanical properties of thin-walled cooling pipes currently in use in existing detectors to assess their potential for the tracker upgrade. In total, 22 different pipes were examined, which were composed of CuNi, SS316L, and Ti and were coated with Ni, Cu, and Au. The samples were characterised using computer tomography for 3D structural assessment, focused ion beam ring-core milling for microscale residual stress analysis, optical profilometry for surface roughness, optical microscopy for grain size analysis, and energy dispersive X-ray spectroscopy for elemental analysis. Overall, this examination demonstrated that the Ni- and Cu-coated SS316L tubing was optimal due to a combination of low residual stress (20 MPa axial and 5 MPa hoop absolute), low coating roughness (0.4 μm Ra), minimal elemental diffusion, and a small void fraction (1.4%). This result offers a crucial starting point for the ongoing thin-walled pipe selection, development, and pipe-joining research required for the CMS tracker upgrade, as well as the widespread use of CO2 cooling systems in general.

Migration of CMSWEB cluster at CERN to Kubernetes: a comprehensive study

The Compact Muon Solenoid (CMS) experiment heavily relies on the CMSWEB cluster to host critical services for its operational needs. The cluster is deployed on virtual machines (VMs) from the CERN OpenStack cloud and is manually maintained by operators and developers. The release cycle is composed of several steps, from building RPMs to their deployment, validation, and integration tests. To enhance the sustainability of the CMSWEB cluster, CMS decided to migrate its cluster to a containerized solution based on Docker and orchestrated with Kubernetes (K8s). This allows us to significantly speed up the release upgrade cycle, follow the end-to-end deployment procedure, and reduce operational cost. In this paper, we give an overview of the CMSWEB VM cluster and the issues we discovered during this migration. We discuss the architecture and the implementation strategy in the CMSWEB Kubernetes cluster. Even though Kubernetes provides horizontal pod autoscaling based on CPUs and memory, in this paper, we provide details of horizontal pod autoscaling based on the custom metrics of CMSWEB services. We also discuss automated deployment procedure based on the best practices of continuous integration/continuous deployment (CI/CD) workflows. We present performance analysis between Kubernetes and VM based CMSWEB deployments. Finally, we describe various issues found during the implementation in Kubernetes and report on lessons learned during the migration process.

The CMS monitoring infrastructure and applications

The globally distributed computing infrastructure required to cope with the multi-petabyte datasets produced by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN comprises several subsystems, such as workload management, data management, data transfers, and submission of users’ and centrally managed production requests. To guarantee the efficient operation of the whole infrastructure, CMS monitors all subsystems according to their performance and status. Moreover, we track key metrics to evaluate and study the system performance over time. The CMS monitoring architecture allows both real-time and historical monitoring of a variety of data sources. It relies on scalable and open source solutions tailored to satisfy the experiment’s monitoring needs. We present the monitoring data flow and software architecture for the CMS distributed computing applications. We discuss the challenges, components, current achievements, and future developments of the CMS monitoring infrastructure.

Characterization of semiconductor detectors and test beams with high-rate telescopes for the Tracker upgrade of the CMS experiment

Για να αποκαλύψουν τα μυστήρια του σύμπαντος, οι φυσικοί υψηλών ενεργειών θα πρέπει να ενισχύσουν την ικανότητα για ανακαλύψεις του ισχυρότερου επιταχυντή συγκρούσεων σωματιδίων στον κόσμο. Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής Υψηλής Φωτεινότητας (High Luminosity Large Hadron Collider, HL-LHC) αποτελεί μια τρέχουσα αναβάθμιση του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (Large Hadron Collider, LHC) η οποία στοχεύει στην αύξηση της φωτεινότητας του επιταχυντή κατά έναν παράγοντα 10, παρέχοντας καλύτερη δυνατότητα για παρατηρήσεις σπάνιων φαινομένων και για βελτιώσεις στατιστικά οριακών μετρήσεων. Προκειμένου να αντιμετωπίσει τις προκλήσεις της πρωτοφανούς φωτεινότητας πρωτονίων-πρωτονίων, η Συνεργασία Συμπαγές Μιονικό Σωληνοειδές (Compact Muon Solenoid, CMS) θα πρέπει να αντεπεξέλθει στη γήρανση του παρόντος ανιχνευτή και να προωθήσει τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την απομόνωση και την ακριβή μέτρηση των προϊόντων των πιο σημαντικών συγκρούσεων. Για να προσδιοριστούν οι συνθήκες των πιο σημαντικών συμβάντων, είναι κρίσιμο να υπολογιστεί η ορμή των σωματιδίων παρακολουθώντας τις τροχιές τους δια μέσου του μαγνητικού πεδίου του ανιχνευτή. Όσο πιο καμπυλωτή η διαδρομή ενός σωματιδίου, τόσο λιγότερη ορμή είχε αρχικά. Οι διαδρομές φορτισμένων σωματιδίων καταγράφονται στο εσώτερο μέρος του ανιχνευτή CMS, του Τροχιοδεικτικού ανιχνευτή (Tracker), βρίσκοντας τις θέσεις των σωματιδίων σε διάφορα σημεία-κλειδιά. Ο Τροχιοδεικτικός ανιχνευτής είναι ικανός να ανακατασκευάσει τα μονοπάτια υψηλής ενέργειας μιονίων, ηλεκτρονίων και αδρονίων, καθώς και να καταχωρήσει τροχιές που προέρχονται από τη διάσπαση των βραχύβιων b κουαρκ που θα χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη των διαφορών μεταξύ ύλης και αντιύλης. Η ακρίβεια της θέσης στον Τροχιοδεικτικό ανιχνευτή χρειάζεται να είναι της τάξης των 10 μικρομέτρων, ενώ το υλικό του να αντέχει σε δριμεία ακτινοβολία. Ο αναβαθμισμένος Τροχιοδεικτικός ανιχνευτής για την εποχή του HL-LHC θα κατασκευαστεί εξ ολοκλήρου από αισθητήρες πυριτίου, θα έχει βελτιωμένες δυνατότητες σκανδαλισμού και θα αποτελείται από δύο υπο-ανιχνευτές: έναν ανιχνευτή κορυφής κυψελίδων που θα καταλαμβάνει την εσωτερική περιοχή και έναν Εξωτερικό Τροχιοδεικτικό ανιχνευτή (Outer Tracker, OT) που θα αποτελείται από δομικές μονάδες μικρολωρίδων. Τα δισκίδια όλων των πρότυπων αισθητήρων μικρολωρίδων πυριτίου τύπου p που μελετήθηκαν στο πλαίσιο της Αναβάθμισης Φάσης-2 του Τροχιοδεικτικού ανιχνευτή του CMS περιείχαν μισοφέγγαρα (half-moons) με δομές δοκιμών. Ήταν απαραίτητο να εκτελεστούν ηλεκτρικός χαρακτηρισμός και δοκιμές ακτινοβόλησης στις δομές δοκιμής αποκομμένες από αυτά τα δισκίδια, προκειμένου να προσδιοριστούν η ποιότητα του υλικού και η συμπεριφορά των εξαρτημάτων που εμπεριέχονται στις δομές δοκιμής. Τα αποτελέσματα αυτών των δοκιμών αναλύονται στο παρόν έργο. Από την άλλη πλευρά, κατά τη διάρκεια της περιόδου έρευνας και ανάπτυξης οι δοκιμές υπό δέσμη είναι ένας ισχυρός τρόπος για να εξεταστεί η συμπεριφορά των αισθητήρων πυριτίου σε ρεαλιστικές συνθήκες. Τα τηλεσκόπια που χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν διέθεταν ηλεκτρονικά ανάγνωσης αργά για τις ανάγκες του αναβαθμισμένου πειράματος CMS. Νέα τηλεσκόπια κυψελίδων σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και τέθηκαν σε λειτουργία για δοκιμές με δέσμες υπό τον ονομαστικό ρυθμό του LHC με πρότυπες δομικές μονάδες για την Αναβάθμιση Φάσης-2 του Τροχιοδεικτικού ανιχνευτή του CMS. Οι πτυχές σχεδιασμού και λειτουργίας δύο τέτοιων τηλεσκοπίων υψηλού ρυθμού, καθώς και τα αποτελέσματα των πρώτων δοκιμών με δέσμες μαζί τους, περιγράφονται επίσης σε αυτή τη διατριβή.

Uso de técnicas de Machine Learning en el experimento CMS

La física experimental de partículas se encuentra en una era dorada llena de retos tecnológicos. Para superarlos, las grandes colaboraciones del LHC (Large Hadron Collider) han implementado técnicas de Machine Learning en sus operaciones con resultados impresionantes. En este documento se resumen algunas de las aplicaciones principales del aprendizaje automatizado, en particular de las redes neuronales artificiales, en el experimento CMS (Compact Muon Solenoid). Además, se resalta la importancia del trabajo colaborativo e interdisciplinario para la correcta implementación e interpretación de estas técnicas de análisis. El objetivo del presente trabajo consiste en despertar el interés por estos temas entre los miembros de las comunidades de física de partículas y ciencias de la computación, con el fin de ampliar las posibilidades de trabajos de investigación conjuntos.