Der ATLAS-Pixeldetektor

Transkript

1 Kirchhoff-Institut für Physik Universität Heidelberg, 4. Februar 2010 Der ATLAS-Pixeldetektor oder: Wie wir mit einer 80-Megapixel-Kamera 40 Millionen Bilder in der Sekunde machen Ulrich Husemann Kirchhoff-Institut für Physik & Deutsches Elektronen-Synchrotron

2 Was wir untersuchen wollen Derzeit gültiges Bild der Natur im Allerkleinsten: Standardmodell der Teilchenphysik (SM) Sehr ökonomisches Modell: 6 Quarks und 6 Leptonen (und deren Antiteilchen) 3 Kräfte: stark schwach elektromagnetisch [DESY] Das Standardmodell passt auf ein T-Shirt Nur ein Teilchen noch nicht entdeckt: Higgs-Teilchen [CERN] 2

3 Was wir untersuchen wollen Derzeit gültiges Bild der Natur im Allerkleinsten: Standardmodell der Teilchenphysik (SM) Sehr ökonomisches Modell: 6 Quarks und 6 Leptonen (und deren Antiteilchen) 3 Kräfte: stark schwach elektromagnetisch r e ß o r t g t g i i t m ä t l l s e e t b n t e i [DESY] e m i k r g e ui p a passt auf ein T-Shirt n EDasx Standardmodell e G Nur ein Teilchen noch nicht entdeckt: Higgs-Teilchen [CERN] 2

4 Zu den höchsten Energien Wir erwarten, dass das Standardmodell nicht der Weisheit letzter Schluss ist Suche nach neuen Teilchen und Kräften Zu diesem Zweck gebaut und seit November/Dezember 2009 (endlich!) in Betrieb: LHC der Large Hadron Collider 3

5 Zu den höchsten Energien Wir erwarten, dass das Standardmodell nicht der Weisheit letzter Schluss ist Suche nach neuen Teilchen und Kräften Zu diesem Zweck gebaut und seit November/Dezember 2009 (endlich!) in Betrieb: LHC der Large Hadron Collider Neue Teilchen sind (vermutlich) schwerer als bekannte Teilchenkollisionen bei höchsten Energien LHC: Protonen mit bis zu 7 TeV (1 Proton: Energie wie Mücke im Flug) 3

6 Zu den höchsten Energien Wir erwarten, dass das Standardmodell nicht der Weisheit letzter Schluss ist Suche nach neuen Teilchen und Kräften Zu diesem Zweck gebaut und seit November/Dezember 2009 (endlich!) in Betrieb: LHC der Large Hadron Collider Neue Teilchen sind (vermutlich) schwerer als bekannte Teilchenkollisionen bei höchsten Energien LHC: Protonen mit bis zu 7 TeV (1 Proton: Energie wie Mücke im Flug) Neue Teilchen werden sehr selten erzeugt Kollisionsexperiment so oft wie möglich wiederholen LHC: Pakete mit je 100 Milliarden Protonen kreuzen sich 40 Millionen mal pro Sekunde, etwa 20 Proton-Proton-Kollisionen pro Kreuzung 3

7 LHC der Large Hadron Collider 4

8 LHC der Large Hadron Collider LHC-Beschleuniger: Proton-Proton- und Blei-Blei-Kollisionen 4

9 LHC der Large Hadron Collider LHC-Beschleuniger: Proton-Proton- und Blei-Blei-Kollisionen CMS-Experiment: Vielzweckexperiment ATLAS-Experiment: Vielzweckexperiment 4

10 LHC der Large Hadron Collider LHC-Beschleuniger: Proton-Proton- und Blei-Blei-Kollisionen CMS-Experiment: Vielzweckexperiment LHCb-Experiment: B-Physik und CP-Verletzung ALICE-Experiment: Schwerionenphysik ATLAS-Experiment: Vielzweckexperiment 4

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13 Teilchennachweis Impulsmessung Energiemessung Teilchenidentifikation Spurdetektor ( Tracking ) Kalorimeter elektromagnetisch hadronisch Myondetektor Zerfallsprodukte der Kollision Photon Elektron/Positron Myon Neutrino Neutron Pion, Proton Innen Außen 6

14 ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS ATLAS-Fakten: 45 m lang, 25 m hoch Gewicht: 7000 Tonnen 100 Millionen Elektronikkanäle 7

15 ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS Spurdetektoren ATLAS-Fakten: 45 m lang, 25 m hoch Gewicht: 7000 Tonnen 100 Millionen Elektronikkanäle 7

16 ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS Kalorimeter Spurdetektoren ATLAS-Fakten: 45 m lang, 25 m hoch Gewicht: 7000 Tonnen 100 Millionen Elektronikkanäle 7

17 ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS Myon-Detektor Kalorimeter Spurdetektoren ATLAS-Fakten: 45 m lang, 25 m hoch Gewicht: 7000 Tonnen 100 Millionen Elektronikkanäle 7

18 Aufgaben des Spurdetektors Kollision Teilchenspur Spurpunkt Vertex Ortsdetektor Magnetfeld Impulsmessung: Bestimme Spuren geladener Teilchen aus Spurpunkten Ablenkung in Magnetfeld umgekehrt proportional zu Impuls des Teilchens: p T [GeV] = 0.3 B [T] R [m] 8

19 Aufgaben des Spurdetektors Kollision Teilchenspur Spurpunkt Vertex Ortsdetektor Magnetfeld Impulsmessung: Bestimme Spuren geladener Teilchen aus Spurpunkten Ablenkung in Magnetfeld umgekehrt proportional zu Impuls des Teilchens: p T [GeV] = 0.3 B [T] R [m] Vertexrekonstruktion: Gemeinsamer Ursprungsort von zwei oder mehr Spuren? Langlebige Teilchen (z.b. Teilchen mit b-quarks): einige Spuren kommen nicht von Kollisionspunkt [DØ] Lxy: 2-dim. Abstand zum Primärvertex d0: transversaler Stoßparameter 8

20 Aufgaben des Spurdetektors Interessante Physikprozesse: Produktion von Teilchen mit b-quarks, z.b. Higgs-Teilchen zerfällt in bb-paar Kandidat für Zerfall tt W + b W b y Jet B-Tagging : wichtiges Werkzeug zur Trennung von Signalprozessen mit b-quarks und Untergrundprozessen x B-Tag 1.2 cm B-Tag Jet cτ(b ± -Meson) = 491 µm typische Zerfallslängen im Laborsystem: einige Millimeter bis Zentimeter Jet Jet Fehlendes ET [CDF] 9 203

21 Technologiewahl: Warum Pixel? Anforderungen an innerste Lage des ATLAS-Detektors: Hohe Auflösung, z. B. besser als 15 µm in transversalem Stoßparameter für Teilchen mit hohem Transversalimpuls 10

22 Technologiewahl: Warum Pixel? Anforderungen an innerste Lage des ATLAS-Detektors: Hohe Auflösung, z. B. besser als 15 µm in transversalem Stoßparameter für Teilchen mit hohem Transversalimpuls Schnelle Auslese: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde 10

23 Technologiewahl: Warum Pixel? Anforderungen an innerste Lage des ATLAS-Detektors: Hohe Auflösung, z. B. besser als 15 µm in transversalem Stoßparameter für Teilchen mit hohem Transversalimpuls Schnelle Auslese: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde Hohe Granularität = viele Auslesekanälen pro Fläche: 10

24 Technologiewahl: Warum Pixel? Anforderungen an innerste Lage des ATLAS-Detektors: Hohe Auflösung, z. B. besser als 15 µm in transversalem Stoßparameter für Teilchen mit hohem Transversalimpuls Schnelle Auslese: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde Hohe Granularität = viele Auslesekanälen pro Fläche: Erwartete Spurdichte 5 cm vom Kollisionspunkt: pro cm 2 und Kollision 10

25 Technologiewahl: Warum Pixel? Anforderungen an innerste Lage des ATLAS-Detektors: Hohe Auflösung, z. B. besser als 15 µm in transversalem Stoßparameter für Teilchen mit hohem Transversalimpuls Schnelle Auslese: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde Hohe Granularität = viele Auslesekanälen pro Fläche: Erwartete Spurdichte 5 cm vom Kollisionspunkt: pro cm 2 und Kollision Aber: Spurerkennung funktioniert nur, wenn einzelner Auslesekanal im Mittel höchstens bei jeder 50. bis 100. Kollision anspricht 10

26 Technologiewahl: Warum Pixel? Anforderungen an innerste Lage des ATLAS-Detektors: Hohe Auflösung, z. B. besser als 15 µm in transversalem Stoßparameter für Teilchen mit hohem Transversalimpuls Schnelle Auslese: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde Hohe Granularität = viele Auslesekanälen pro Fläche: Erwartete Spurdichte 5 cm vom Kollisionspunkt: pro cm 2 und Kollision Aber: Spurerkennung funktioniert nur, wenn einzelner Auslesekanal im Mittel höchstens bei jeder 50. bis 100. Kollision anspricht Streuung der Teilchen vermeiden so wenig Material wie möglich 10

27 Technologiewahl: Warum Pixel? Anforderungen an innerste Lage des ATLAS-Detektors: Hohe Auflösung, z. B. besser als 15 µm in transversalem Stoßparameter für Teilchen mit hohem Transversalimpuls Schnelle Auslese: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde Hohe Granularität = viele Auslesekanälen pro Fläche: Erwartete Spurdichte 5 cm vom Kollisionspunkt: pro cm 2 und Kollision Aber: Spurerkennung funktioniert nur, wenn einzelner Auslesekanal im Mittel höchstens bei jeder 50. bis 100. Kollision anspricht Streuung der Teilchen vermeiden so wenig Material wie möglich Strahlenhärte: Detektor muss in 4 5 Jahren mindestens 500 kgy aushalten (Vergleich ISS: < 0.1 Gy/Jahr) 10

28 Technologiewahl: Warum Pixel? Anforderungen an innerste Lage des ATLAS-Detektors: Hohe Auflösung, z. B. besser als 15 µm in transversalem Stoßparameter für Teilchen mit hohem Transversalimpuls Schnelle Auslese: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde Hohe Granularität = viele Auslesekanälen pro Fläche: Erwartete Spurdichte 5 cm vom Kollisionspunkt: pro cm 2 und Kollision Aber: Spurerkennung funktioniert nur, wenn einzelner Auslesekanal im Mittel höchstens bei jeder 50. bis 100. Kollision anspricht Streuung der Teilchen vermeiden so wenig Material wie möglich Strahlenhärte: Detektor muss in 4 5 Jahren mindestens 500 kgy aushalten (Vergleich ISS: < 0.1 Gy/Jahr) Obiger Anforderungskatalog: derzeit nur durch Hybrid- Pixeldetektoren erfüllbar 10

29 Warum nicht CCD? CCD: Charge-Coupled Device Physik-Nobelpreis 2009 für W. S. Boyle und G. E. Smith Funktionsprinzip eines CCD-Chips Standard für Digitalkameras: Massenprodukt Pixelgrößen: ca. 5x5 10x10 µm 2 Boyle Smith Bereits in Teilchenphysik benutzt, z.b. SLD (SLAC) Nachteile von CCDs: SLD Vertex Detector [nobelprize.org] CCD-Pixel werden seriell ausgelesen zu langsam Sensoren nicht ausreichend strahlenhart [SLAC] 11

30 Silizium-Pixeldetektoren Funktionsprinzip von Hybrid-Pixeldetektoren Detektor = Diode in Sperrrichtung Verarmungszone Geladenes Teilchen ionisiert Detektormaterial elektrisches Signal Elektrisches Signal Auslesechip: Verstärkung, Digitalisierung, PbSn- oder Indiumkügelchen ( Bump-Bond ) 250 µm Implantate: n + -dotierte Pixel (400x50 µm 2 ) Bulk (n-dotiert) Backplane (p + -dotiert) Geladenes Teilchen Verarmungsspannung: ca. 150 V 12

31 ATLAS-Pixelmodul unter der Lupe Hybrid-Pixeldetektor: Pixelsensor 16 Auslesechips (0,25 µm CMOS) Substrat für weitere Elektronik ( Flex ) Einige Kennzahlen: Pixelgröße: µm 2 Sensorfläche: ca mm 2 [ATLAS] 2880 Auslesekanäle pro Chip 13

32 Der Auslesechip: FE-I3 Analogteil (für jeden Kanal): Gleichstromkopplung an Pixel Ladungsempfindlicher Verstärker Diskriminator Bump-bond pad 8-bit time stamp Digital part 1. readout cell 2. readout cell Address & time stamps Analogue part Configuration bits Hit buffer cell D/A convertor Time stamp? Control Hit address Hit amplitude Column-level readout controller Delayed BC clock L1 Hit buffer Chip-level readout controller Chip address Slow control Data output Clock Sync 4. Februar 2010, U. Discriminator. Husemann: Der Signal ATLAS-Pixeldetektor discrimination is made by a two-stage 14circuit: a fullydifferential,l L1 Power supplies [ATLAS] Figure 6. Schematic plan of the front-end chip (FE-I3) with main functional elements. Not to s

33 Der Auslesechip: FE-I3 Analogteil (für jeden Kanal): Gleichstromkopplung an Pixel Ladungsempfindlicher Verstärker Diskriminator Bump-bond pad 8-bit time stamp Digital part 1. readout cell 2. readout cell Address & time stamps Analogue part Configuration bits Digitalteil (für je zwei Kanäle): Koordinaten des Pixels Zeitinformation für ansteigende/ abfallende Flanke des Diskriminatorsignals D/A convertor Column-level readout controller Hit buffer cell Time stamp? Delayed BC clock Control L1 Hit address Hit amplitude Hit buffer Chip-level readout controller Chip address Slow control Data output Clock Sync 4. Februar 2010, U. Discriminator. Husemann: Der Signal ATLAS-Pixeldetektor discrimination is made by a two-stage 14circuit: a fullydifferential,l L1 Power supplies [ATLAS] Figure 6. Schematic plan of the front-end chip (FE-I3) with main functional elements. Not to s

34 Der Auslesechip: FE-I3 Analogteil (für jeden Kanal): Gleichstromkopplung an Pixel Ladungsempfindlicher Verstärker Diskriminator Bump-bond pad 8-bit time stamp Digital part 1. readout cell 2. readout cell Address & time stamps Analogue part Configuration bits Digitalteil (für je zwei Kanäle): Koordinaten des Pixels Zeitinformation für ansteigende/ abfallende Flanke des Diskriminatorsignals D/A convertor Column-level readout controller Hit buffer cell Time stamp? Delayed BC clock Control L1 Hit address Hit amplitude Pufferspeicher (für jede Spalte): Berechnung von Zeit über Schwelle Maß für deponierte Ladung Zwischenspeicher: Auslese mit Trigger Hit buffer Chip-level readout controller Chip address Slow control Data output Clock Sync 4. Februar 2010, U. Discriminator. Husemann: Der Signal ATLAS-Pixeldetektor discrimination is made by a two-stage 14circuit: a fullydifferential,l L1 Power supplies [ATLAS] Figure 6. Schematic plan of the front-end chip (FE-I3) with main functional elements. Not to s

35 Der ATLAS-Pixeldetektor Der Pixeldetektor: Herzstück des ATLAS-Detektors 1,3 Meter lang, 25 cm Durchmesser Drei konzentrische Barrel -Lagen: 5,05 12,25 cm vom Strahl entfernt Zwei Endkappen mit je drei Disks octagonal support frame. 2 Insgesamt: 1,7 m Sensorfläche mit 80,4 Millionen Pixel integration of the ID in ATLAS comprises four steps which are also described in this section: the Science@KIP-Seminar, 4. Februar 2010, Husemann: ATLAS-Pixeldetektor integration of the barrel SCT and barrel TRT,U.the integrationder of the end-cap SCT and end-cap TRT JINS 4.24: A perspective cut-away view of the pixel detector. The view shows individual barjede Figure Lage: Kohlefaser- Staves mit je 13 Pixelmodulen rel and end-cap modules, supported with their associated services on staves and disks within an

36 Detektor-Infrastruktur Elektronik-Racks Mechanische Aufhängung Optische Datenübertragung an zentrales Auslesesystem C3F8-Kühlsystem: Abwärme der Auslesechips Sensoren bei 20ºC Rauschen und Strahlenschäden reduziert Kühlsystem für Inneren Detektor Stromversorgung (separat für jedes Modul): Niederspannung für Analog- und Digitalteil der Auslesechips Hochspannung für Verarmungsspannung Monitoring und Sicherheitssysteme 16

37 ATLAS-Pixeldetektor in Bildern Vier Staves mit je 13 Modulen 1/2 Pixellage beim Zusammenbau Endkappen-Scheiben 17

38 Einbau des Pixeldetektors Herablassen in die ATLAS-Kaverne Einbau in den ATLAS-Detektor 18

39 Performance beim LHC-Start 2009 Y [mm] Treffer auf rekonstruierten Spuren Scatter Plot of Hits on Tracks im Inneren Detektor (Seitenansicht) ATLAS preliminary 1000 real data run Pixeldetektor-Lagen X [mm] 19

40 Performance beim LHC-Start 2009 Y [mm] Treffer auf rekonstruierten Spuren Scatter Plot of Hits on Tracks im Inneren Detektor (Seitenansicht) ATLAS preliminary 1000 real data run Energieverlust geladener Teilchen als Funktion von Ladung Impuls Pixeldetektor-Lagen X [mm] de/dx [MeV g-1 cm2 ] ATLAS Preliminary GeV Collisions Protonen 4 10 Kaonen Q p [GeV] 19

41 Performance beim LHC-Start 2009 Spurdetektor- Alignment Kalibration und Alignment: wie genau sind Position und Antwort des Detektors bekannt? feste Lage auszurichtende Lage feste Lage Geladenes Teilchen 20

42 Performance beim LHC-Start 2009 Kalibration: gleiche Antwort von jedem Pixel Spurdetektor- Alignment Kalibration und Alignment: wie genau sind Position und Antwort des Detektors bekannt? feste Lage auszurichtende Lage feste Lage Geladenes Teilchen 20

43 Performance beim LHC-Start 2009 Kalibration: gleiche Antwort von jedem Pixel Spurdetektor- Alignment Kalibration und Alignment: wie genau sind Position und Antwort des Detektors bekannt? feste Lage auszurichtende Lage Alignment: Präzise Ausrichtung feste Lage Geladenes Teilchen 20

44 Performance beim LHC-Start 2009 Kalibration: gleiche Antwort von jedem Pixel Spurdetektor- Alignment Kalibration und Alignment: wie genau sind Position und Antwort des Detektors bekannt? feste Lage Alignment mit kosmischer Strahlung Alignment: Präzise Ausrichtung auszurichtende Lage feste Lage Geladenes Teilchen Arbitrary Units MC perfect alignment µ=0 µm, =22 µm Run µ= 1 µm, =38 µm ATLAS Preliminary Pixel Barrel Double Gaussian Fit Width of Core Gaussian Simulation: Perfekter Detektor Messung (Dezember 2009) x residual [mm] Verschiebung im auszurichtender Lage [mm] 20

45 Quo Vadis, Pixel? Datennahme! Planungen für Upgrade von Beschleuniger und Detektoren im vollen Gange Lebensdauer der Detektoren begrenzt (z.b. Strahlenschäden) Höhere Kollisionsraten Modernere Detektortechnologie Planungen bei ATLAS: Phase I (ca. 2014): neue innerste Pixellage bei 3,7 cm, in bestehenden Detektor eingefügt Phase II ( super-lhc, ca. 2020): komplett neuer Innerer Detektor 21

46 Zusammenfassung Physik am LHC: Silizium-Pixeldetektor hat Schlüsselrolle Genaue Vermessung von Teilchenspuren nahe am Kollisionspunkt: Ursprungsort und Impuls Identifikation von Teilchen mit b-quarks 22

47 Zusammenfassung Physik am LHC: Silizium-Pixeldetektor hat Schlüsselrolle Genaue Vermessung von Teilchenspuren nahe am Kollisionspunkt: Ursprungsort und Impuls Identifikation von Teilchen mit b-quarks Herausforderungen: Hohe Kollisionsraten: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde Hohe Strahlenbelastung Materialbudget: so wenig wie möglich 22

48 Zusammenfassung Physik am LHC: Silizium-Pixeldetektor hat Schlüsselrolle Genaue Vermessung von Teilchenspuren nahe am Kollisionspunkt: Ursprungsort und Impuls Identifikation von Teilchen mit b-quarks Herausforderungen: Hohe Kollisionsraten: 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde Hohe Strahlenbelastung Materialbudget: so wenig wie möglich ATLAS-Pixeldetektor: Erfolgreiche Inbetriebnahme sehr gute Performance Bereit für die Datennahme am LHC ab Februar/März