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The CMS High Granularity Calorimeter—Front-end Design, Characterization and Implementation

par Khan, Fakhri
Président du jury Robert, Frédéric
Promoteur De Lentdecker, Gilles
Co-Promoteur Aspell, Paul
Publication Non publié, 2025-06-20

Thèse de doctorat

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Résumé :

AbstractThe High Granularity Calorimeter (HGCAL) is a groundbreaking upgrade to the Compact Muon Solenoid(CMS) detector for the High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). It is designed to operateunder extreme conditions of high radiation, particle flux, and unprecedented pileup densities. This thesispresents the comprehensive development, optimisation, and validation of the front-end readout electronicsfor HGCAL, with a primary focus on the Hexaboards, which are complex multilayer printed circuit boardsthat serve as the readout board for the silicon sensor modules.The research undertaken in this work encompasses the full design cycle of the Low-Density (LD) andHigh-Density (HD) Hexaboards, from conceptualization to iterative prototyping, performance optimisa-tion, and system validation. A systematic approach incorporating front-end electronics simulations andexperimental testing enabled significant improvements in electronic stability, signal integrity, and noisesuppression. Through successive iterations, the electronics noise was reduced from approximately 40ADC units to 1.5 ADC units (∼1900 electrons for a 47pF detector capacitance), a reduction of morethan 10-fold—while the signal-to-noise ratio (S/N) improved by a factor of 10. Consequently, the per-formance met the stringent requirements outlined in the HGCAL Technical Design Report (TDR). Beamtests conducted at CERN’s Super Proton Synchrotron (SPS) validated the performance of the siliconHex-Module and, by extension, confirmed that the Hexaboard design meets stringent specifications. Theresults demonstrate exceptional reliability and precise charge and timing resolution.In parallel, this thesis explores the timing performance of HGCAL’s silicon modules through thedevelopment of a laser-based test system, enabling precise charge injection and high-resolution time-of-arrival (TOA) measurements. The timing studies, incorporating variations in temperature, electronicjitter, and time-walk effects, informed key calibrations necessary for optimising event reconstruction inthe high-luminosity regime. Integration of these timing parameters into HGCAL physics simulationsfurther assessed their impact on neutral hadron and photon reconstruction efficiency, ensuring robustpileup mitigation strategies.This work establishes a validated, high-performance readout system for HGCAL, ensuring its readi-ness for large-scale production and integration into CMS. The methodologies and optimisations devel-oped herein will support high-precision calorimetry and data integrity in the HL-LHC era, reinforcing theCMS detector’s capability for advanced physics analyses in the forthcoming decade.The thesis is structured as follows: Chapter 1 introduces the LHC and HL-LHC, outlining the CMSexperiment and the limitations of its current detector. It establishes the need for an upgraded endcapcalorimeter for Phase II operations, presenting the HGCAL as the optimal solution for HL-LHC condi-tions. Chapter 2 motivates the HGCAL upgrade and follows a top-down approach to justify its design. Itdefines the calorimeter structure, explains the necessity of high granularity, and outlines key technological choices addressing performance requirements. The chapter systematically answers the many ‘whys’behind HGCAL’s implementation and concludes with its impact on CMS physics. Chapter 3 focuses onthe readout electronics, detailing the HGCROC ASIC as the front-end chip responsible for charge mea-surement, timing precision, and data processing. Chapter 4 explores the challenges in silicon readoutHexaboard design, and defines a design strategy for addressing these challenges. It concludes with ananalysis of different Hexaboard variants and their on-cassette powering and control schemes. Chapter5 validates Hexaboard designs across multiple iterations. Performance is assessed through noise stud-ies, pedestal stability, and a comparative analysis of intrinsic and coherent noise, establishing the finaloptimized design for stable HGCAL operation. Chapter 6, the final chapter, evaluates silicon moduleperformance using beam tests and laser-based characterization, assessing its response to MIP signals andtiming resolution. The results confirm overall detector performance, ensuring compliance with HL-LHCrequirements.This thesis comprehensively documents the development, optimization, and validation of the CMSHGCAL readout system, providing a foundation for its deployment in the HL-LHC era.

RésuméLe High Granularity Calorimeter (HGCAL) constitue une amélioration révolutionnaire du détecteur Compact Muon Solenoid (CMS) dans le cadre du Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC). Il est conçu pour fonctionner dans des conditions extrêmes de rayonnement, de flux de particules et de densités de pileup sans précédent. Cette thèse présente le développement, l’optimisation et la validation complets de l’électronique de lecture frontale du HGCAL, en mettant l’accent sur les Hexaboards, des circuits imprimés multicouches complexes servant de cartes de lecture pour les modules de capteurs en silicium.Le travail de recherche couvre l’ensemble du cycle de conception des Hexaboards à faible densité (LD) et à haute densité (HD), depuis la conceptualisation jusqu’au prototypage itératif, à l’optimisation des performances et à la validation système. Une approche systématique combinant des simulations électroniques et des tests expérimentaux a permis d'améliorer significativement la stabilité électronique, l'intégrité du signal et la suppression du bruit. Grâce à plusieurs itérations, le bruit électronique a été réduit d’environ 40 unités ADC à 1,5 unité ADC (soit ~1900 électrons pour une capacité de détection de 47 pF), une réduction de plus d’un facteur 10, tandis que le rapport signal/bruit (S/N) a été amélioré d’un facteur 10. Les performances atteignent ainsi les exigences rigoureuses définies dans le rapport technique de conception (TDR) du HGCAL. Des tests sur faisceau réalisés au Super Proton Synchrotron (SPS) du CERN ont validé les performances des modules Hex en silicium, confirmant que la conception des Hexaboards respecte les spécifications strictes.En parallèle, cette thèse explore la performance temporelle des modules en silicium du HGCAL via le développement d’un système de test basé sur laser, permettant une injection de charge précise et des mesures de temps d’arrivée (TOA) à haute résolution. Ces études temporelles, prenant en compte les variations de température, le jitter électronique et les effets de time-walk, ont permis de calibrer des paramètres clés pour optimiser la reconstruction des événements dans le régime de haute luminosité. L'intégration de ces paramètres dans les simulations de physique du HGCAL a également permis d’évaluer leur impact sur l'efficacité de reconstruction des photons et hadrons neutres, garantissant ainsi des stratégies robustes de mitigation du pileup.Ce travail établit un système de lecture validé et performant pour le HGCAL, prêt pour la production à grande échelle et l’intégration dans CMS. Les méthodologies et optimisations développées soutiendront une calorimétrie de haute précision et l’intégrité des données durant l’ère du HL-LHC, renforçant la capacité du détecteur CMS à mener des analyses physiques avancées dans la prochaine décennie.La thèse est structurée comme suit : le Chapitre 1 présente le LHC et le HL-LHC, ainsi que l’expérience CMS et les limites de son détecteur actuel. Il expose la nécessité d’un nouveau calorimètre d’endcap pour la phase II, et introduit le HGCAL comme solution adaptée aux conditions du HL-LHC. Le Chapitre 2 motive l’amélioration du HGCAL en adoptant une approche descendante, définissant la structure du calorimètre, la nécessité d’une haute granularité et les choix technologiques. Le Chapitre 3 se concentre sur l’électronique de lecture, en détaillant le circuit intégré HGCROC chargé de la mesure de charge, de la précision temporelle et du traitement des données. Le Chapitre 4 examine les défis de conception des Hexaboards en silicium et propose une stratégie pour les surmonter, avec une analyse des différentes variantes et de leurs schémas d’alimentation et de contrôle sur cassette. Le Chapitre 5 valide les conceptions d’Hexaboards à travers plusieurs itérations, avec des études de bruit, de stabilité des pédestaux et une analyse comparative des bruits intrinsèques et cohérents. Enfin, le Chapitre 6 évalue les performances des modules silicium par des tests sur faisceau et des caractérisations laser, confirmant leur réponse aux signaux MIP et leur résolution temporelle.Cette thèse documente de manière exhaustive le développement, l’optimisation et la validation du système de lecture du HGCAL, et fournit une base solide pour son déploiement à l’ère du HL-LHC.