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

Abstract

In order to unveil the mysteries of the universe the high energy physicists will need to boost the world’s most powerful particle collider’s potential for discoveries. The High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) is an ongoing upgrade of the Large Hadron Collider (LHC) which aims at increasing the luminosity of the accelerator by a factor of 10, providing a better opportunity to observe rare processes and meliorating statistically marginal measurements. To face the challenges of the unprecedented p-p luminosity, the Compact Muon Solenoid (CMS) collaboration will need to cope with the aging of its present detector and to advance the methods used to isolate and measure accurately the products of the most significant collisions. To determine the conditions of the most important events it is critical to calculate the momentum of particles by tracking their paths through the magnetic field of the detector. The more curved the path of a particle, the less momentum it had. The charged particle pathsare recorded in the innermost part of the CMS detector, the Tracker, by finding the positions of particles at several key points. The Tracker is capable of reconstructing the paths of high-energy muons, electrons and hadrons, as well as of registering tracks coming from the decay of the short-lived b quarks that will be used to study the differences between matter and antimatter. The position accuracy in the Tracker needs to be of the order of 10 micrometers, while its material to be able to withstand severe radiation. The upgraded Tracker detector for the HL-LHC era will be made entirely of silicon sensors, will have improved trigger capabilities and will be composed of two sub-detectors: a Pixel vertex detector occupying the inner region and an Outer Tracker (OT) consisting of microstrip modules. The wafers of all the microstrip prototype p-type silicon sensors which were studied in the framework of the CMS Phase-2 Tracker Upgrade contained half-moons with test structures. It was necessary to perform electrical characterization and irradiation tests on the test structures diced from these wafers, in order to determine the material quality and the behavior of the components on the test structures. The results of these tests are analyzed in this work. On the other hand, during the research and development period, tests performed under beam are a powerful way to examine the behavior of the silicon sensors in realistic conditions.The telescopes used in the past had a slow readout for the needs of the upgraded CMS experiment. New pixel telescopes were designed, built and commissioned for beam tests under the LHC nominal rate with prototype modules for the CMS Phase-2 Tracker Upgrade. The design and operation aspects of two such high-rate telescopes, as well as the results of the first beam tests with them, are also described in this dissertation.

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.