HL-LHC ATLAS実験の内部飛跡検出器に用いる半導体検出器
Koji Nakamura (KEK)
On behalf of ATLAS ITK Pixel group2019/6/3

朝永センター構成員会議

1

Large Hadron Collider (LHC)
here
Jura mountains

CERN

LHC magnet
Geneva air port

Down town Geneva
2019/6/3

27km proton-proton collider
Placed 100m under ground.
2010-2012 : 8TeV max.
2015: 13TeV

朝永センター構成員会議

2

LHC実験HL-LHC実験

Now• 2018年のRunが終わり147fb-1のデータが収集完了。現在は
LS2(long shutdown2)中。
• LS2後は3年間で150fb-1とり>13TeVで300fb-1の予定• LS3で検出器アップグレード2026年からHigh Luminosity LHC(HL-LHC)開始で3000fb-1を目標– エネルギーは14TeV– 瞬間ルミノシティーはleveling 後で5-7x1034cm-2s-1
2019/6/3

朝永センター構成員会議3

物理の動機• 3003000fb-1でわかる事+400GeV– New Physics• 特に弱相互作用で生成するBSM• 質量が縮退したモデル(長寿命)例、Δm=160MeV Pure Wino
95% C.L. lower limit 400GeV 800GeV# of expected signal @ 800GeV : 11.9event– Higgs measurement• カップリングの精密測定• 稀崩壊の発見 (Hμμなど)• 自己結合の観測
ヒッグス粒子の対生成を観測

HHbbγγ
信号6.46事象
背景事象 6.8事象干渉

これから15-20年でこれらの物理が解明できるのはHL-LHCだけ
2019/6/3

朝永センター構成員会議

4

検出器アップグレード
内部飛跡検出器
ストローチューブチェンバー(TRT)
シリコンストリップ検出器(SCT)
ピクセル検出器(Pixel)

ミュー粒子検出器
トリガーチェンバー(TGC,RPC)
ドリフトチューブチェンバー(MDT)[トロイドマグネット]

2019/6/3

朝永センター構成員会議

カロリメータLAr 電磁カロリメータ
ハドロンカロリメータ
前方カロリメータ[ソレノイドマグネット]
5

検出器アップグレード
内部飛跡検出器
ストローチューブチェンバー(TRT)
シリコンストリップ検出器(SCT)
ピクセル検出器(Pixel)
総入れ替え！
すべてシリコン検出器

ミュー粒子検出器
トリガーチェンバー(TGC,RPC)
ドリフトチューブチェンバー(MDT)[トロイドマグネット]
フレキシブルなトリガーシステム
2019/6/3

カロリメータLAr 電磁カロリメータ
ハドロンカロリメータ
前方カロリメータ[ソレノイドマグネット]

検出器の入れ替えは無し
朝永センター構成員会議

6

Technical Design Report for HL-LHC• High Luminosity LHC用の設計書が完成– いろんな検出器部分の 設計書が全6編• 2018-2019年はシリコン検出器量産にむけた準備中• 今年度中に量産準備を完了する予定。
– 2020年から量産開始
2019/6/3

朝永センター構成員会議

7

検出器アップグレード
事象あたりの陽子衝突数
現在まで (2x1034cm-2s-1)
平均10-60 衝突 (デザインは25)

2019/6/3

7x1034cm-2s-1では？

朝永センター構成員会議

8

検出器アップグレード
事象あたりの陽子衝突数
現在まで (2x1034cm-2s-1)
平均10-60 衝突 (デザインは25)7x1034cm-2s-1では？

平均140衝突

これを識別する検出器が必要！
特にトラッキングが重要
2019/6/3

朝永センター構成員会議

9アップグレード(ITK)レイアウト
ストリップ検出器
ピクセル検出器

2019/6/3

朝永センター構成員会議

10アップグレード(ITK)レイアウト
検出器タイプ
1-2層目

3D検出器

ストリップ検出器

3-5層目

プラナー型検出器

ピクセル検出器

オプション 2層目

薄いプラナー型

オプション 5層目

CMOSモノリシック型

Flat

2019/6/3

最近ではInclinedをリングにする予定

Inclined

朝永センター構成員会議

Endcap11

予想される性能と要求• ピクセルサイズ– 現行検出器の1/5 (Z方向に)– 50umx50um– ハイブリット型で最も細密ピクセル• センサー厚

現行ピクセル

アップグレード用– 物質量もそうだが、薄い方が占有率が下がる φ– 生成電荷量との兼ね合い (100um で7keくらい)– 1,2層目は100um 3層目以降は150um

Z
Z方向のピッチ
厚み

b-tag
厚み

Z方向のピッチ
厚み
厚み

2019/6/3

朝永センター構成員会議

12放射線耐性• 4000fb-1で予想される放射線量– NIEL : 3層目 2.8x1015 neq /cm2 最内層 2.6x1016neq/cm2– TID : 3層目1.6MGy 最内層 19.8MGy
1,2層目は2000fb-1で入れ替え予定

2019/6/3

朝永センター構成員会議

13

内部飛跡検出器のアップグレード• 日本グループ : ピクセル検出器の開発
バレル部3-5層目を中心に開発– 高効率なセンサーの開発– 読み出しASICとDAQの開発– モジュール化(バンプボンド)– Flex基板の設計、モジュールとの接着– サポートフレームへのインストール

StripPixel

各ステップに対して日本グループの多大な貢献
Layer 2 + Layer 3 のデモンストレータ

1.6m
2019/6/3

朝永センター構成員会議

14

内部飛跡検出器のアップグレード• 日本グループ : ピクセル検出器の開発
バレル部3-5層目を中心に開発
浜ホト製 : n+ in p タイプ– 高効率なセンサーの開発
ピクセルサイズ: 50umx50um– 読み出しASICとDAQの開発
効率要求 : 放射線損傷後 >97%
– モジュール化(バンプボンド)(3x1015neq/cm2)– Flex基板の設計、モジュールとの接着– サポートフレームへのインストール
テストビームによる効率評価
陽子照射での放射線耐性試験
放射線損傷後 >98% の効率

プラナータイプピクセルモジュール
Readout ASICPoly-Sin+Bias-rail

Bump
Aln+w/o BR

th2400th1500Large n+ w/ BR
Small n+ w/ BR

SiO2eBee-hhhP-stopP-bulk-V

2019/6/3

朝永センター構成員会議

15内部飛跡検出器のアップグレード• 日本グループ : ピクセル検出器の開発
バレル部3-5層目を中心に開発
浜ホト製 : n+ in p タイプ– 高効率なセンサーの開発
ピクセルサイズ: 50umx50um– 読み出しASICとDAQの開発
効率要求 : 放射線損傷後 >97%
– モジュール化(バンプボンド)(3x1015neq/cm2)– Flex基板の設計、モジュールとの接着– サポートフレームへのインストール
RD53 コラボレーション(ATLAS+CMS)
65nm CMOS技術
20mm

プラナータイプピクセルモジュール½サイズのプロトタイプが完成
Readout ASIC
モジュール化した評価が進行中
Bump-- 5Gbps / ASICの信号
Poly-Si
Bias-railAln+-- 400x394 pixel matrix-- 低ノイズ(80-90e)

20mmn+

SiO2eBee-hhhP-stopP-bulk-V

2019/6/3

朝永センター構成員会議

16内部飛跡検出器のアップグレード• 日本グループ : ピクセル検出器の開発
バレル部3-5層目を中心に開発– 高効率なセンサーの開発– 読み出しASICとDAQの開発– モジュール化(バンプボンド)– Flex基板の設計、モジュールとの接着– サポートフレームへのインストール

90Sr ソーステスト(開発中)

浜ホト製のセンサー Quad sensor

実機用読み出しASIC(TSMC製)

バンプボンディング(浜ホト) 90Sr ソーステスト(確立後)
SnAg製のバンプ
フラックス無し
センサー/ASIC
150um/150um厚
サポートウェファー無し
2016年頃に確立
高い歩留まりで製造可能

2019/6/3

朝永センター構成員会議

17

内部飛跡検出器のアップグレード• 日本グループ : ピクセル検出器の開発
バレル部3-5層目を中心に開発– 高効率なセンサーの開発– 読み出しASICとDAQの開発– モジュール化(バンプボンド)– Flex基板の設計、モジュールとの接着– サポートフレームへのインストール
浜ホト製のセンサー Quad sensor

実機用読み出しASIC(TSMC製)接着冶具の開発
接着剤の選定ワイヤーボンディング

Module Flex
日本製

アセンブリ冶具

日本製
2019/6/3

朝永センター構成員会議

18

内部飛跡検出器のアップグレード• 日本グループ : ピクセル検出器の開発
バレル部3-5層目を中心に開発– 高効率なセンサーの開発– 読み出しASICとDAQの開発– モジュール化(バンプボンド)
ショートデモンストレータ– Flex基板の設計、モジュールとの接着– サポートフレームへのインストール
浜ホト製のセンサー Quad sensor

インストールModule Flex
日本製
曲げ

実機用読み出しASIC(TSMC製)

アセンブリ冶具

日本製
2019/6/3

朝永センター構成員会議

19

Group photos @ Testbeam
March 2013 DESY Testbeam

May 2014 SLAC TestBeam

June 2017 CERN TestBeam

Oct 2017 CERN TestBeam

Feb 2017 Fermilab TestBeam

2019/6/4

Sep 2015 CERN TestBeam

July 2018 CERN TestBeam

Feb 2018 Fermilab TestBeam

Meeting with Heinz @ KEK

June 2016 CERN TestBeam

Oct 2018 CERN TestBeam

Feb 2019 Fermilab TestBeam

20

今後の予定• 2020年度はセンサー・モジュールの事前量産(PreProduction)で全体の10%の製造• 2021年度から2.5年間で日本グループは約2000台の検出器を製造予定(これは全3-5層のモジュールの約20%)– センサーの製造および検査– バンプボンドおよび検査– モジュールとFlex基板実装および検査– CERNへ出荷(2023年度完了予定)• その後はCERNで構造体に取り付け、ATLAS検出器に挿入(2026年完了予定)
2019/6/3

朝永センター構成員会議

21

まとめ
HL-LHC のTDRはほぼ完成
LHC Run2 は成功裏に終了
量産体制の準備中
2018年までに147fb-1
Run3 で新たに150fb-1 を目指す
設計図完成！
LHC

量産開始前夜2019/6/3

朝永センター構成員会議

22

まとめ
HL-LHC のTDRはほぼ完成
LHC Run2 は成功裏に終了
量産体制の準備中
2018年までに147fb-1
Run3 で新たに150fb-1 を目指す
設計図完成！
LHC
10年後
BSM

量産開始前夜全体像の把握精密測定

2019/6/3

朝永センター構成員会議

23

backup2019/6/3

朝永センター構成員会議

24

検出器アップグレード
事象あたりの陽子衝突数
現在まで (2x1034cm-2s-1)
平均10-60 衝突 (デザインは25)7x1034cm-2s-1では？

平均140衝突

HL-LHC μ=140 @ 5e34

1. 2
1. 015cm

0. 8

HL-LHC++ μ=140 @ 5e34

0. 60. 4

現行ＬＨＣ μ=40 @ 0.7e34

0. 2

z [m]
0. 2

0. 1

0.1

0. 2

これを識別する検出器が必要！
特にトラッキングが重要
2019/6/3

朝永センター構成員会議

25センサー耐圧• 基本的にはBreak down電圧で決まる。

(ダイシング/裏面処理の技術)– 浜ホトセンサーは優秀で照射前から1000V耐圧– 他のベンダーはFD+50V程度が関の山放射線損傷によってBreak down 電圧は上がる1.3x1016neq/cm2で1000V出ればよいが…
浜ホトセンサー(未照射)– ただし、問題にしているのは一桁上 Leak Current
4mA/(3.4cm2)も危険/冷却困難 (2000V 4mA は8W!!)– 1000Vくらいまでに抑えたい。

• ハイブリットの場合は放電対策も必要– ASIC-Sensor間には電位差があって放電の危険がある。
– モノリシックではこの問題はない？要確認Sensor
ASIC
2019/6/3

朝永センター構成員会議

26

データレート• データレート / 20mmx20mm (400x384px)

Pixel region
1px– ATLAS用ASICは1x4pixでregionを定義して同時に読み出す。
– 1 region を 32bit で読み出す– Data Rate = reghit/chip * Nbit * ftrig * Nchip• Layer0 : 100 * 32bit * 1MHz ~ 3.2Gbps• Layer3 : 5 * 32bit * 1MHz * 4(quad) ~ 0.6Gbps

384px (phi)• 16 bit address + 4 x 4 bit ToT• Multi-pixel hitはほとんどeta 方向につながっているため。(平均1.6hit/regでお得)

4px

Ttbar (@ PU=200)

400px (eta) : 100reg
Z方向のピッチ
厚み厚み

2019/6/3

朝永センター構成員会議27

データレート• HL-LHCなら5Gbpsで十分• FCC (PU=1000)だと？
– 分解能が十分高いなら占有率は7倍.
– ピクセルサイズが小さいと• Address のビット数が大– 100x384 (16bit=7bit+9bit)– 250x1000(20bit=9bit+11bit)• Eta 方向のクラスターサイズが大(2.5倍?)– Pixel regionの最適化？

– トリガーレート ? A few MHz

ATLASのprototype ASIC (RD53A)
Aurora protocol で 1.28Gbps x 4 line

• ちゃんとシミュレーションする必要あり– 今後の課題– 最低5-10Gbpsは必要か？
2019/6/3

朝永センター構成員会議

28