Research and development of Micromegas detectors for New Physics searches
Authors: Μανιάτης Ιωάννης 
Published: May 2022

Ο μεγάλος επιταχυντής αδρονίων -Large Hadron Collider (LHC)- και τα πειράματα που έχουν αναπτυχθεί κατά μήκος του έχουν επαληθεύσει με τις μετρήσεις τους την ύπαρξη διαφόρων σωματιδίων κατά την λειτουργία τους. Προκειμένου να διερευνηθούν πτυχές νέας Φυσικής που υπερβαίνουν το καθιερωμένο πρότυπο, οι συγκρούσεις των σωματιδίων (πρωτονίων-πρωτονίων) θα πρέπει να διενεργηθούν σε ακόμα μεγαλύτερες ενέργειες. Για τον λόγο αυτό έχει δρομολογηθεί η αναβάθμιση του υφιστάμενου επιταχυντή σε High-Luminosity LHC ούτως ώστε να επιτευχθούν ενέργειες της τάξης των 14 Tev στο κέντρο μάζας των συγκρούσεων και αύξηση της φωτεινότητας της δέσμης στα L = 7x1034 cm-2s-1. Η υφιστάμενη τεχνολογία των ανιχνευτικών διατάξεων δεν θα είναι ικανή να ανταπεξέλθει σε αυτό το απαιτητικό περιβάλλον. Προκειμένου να συνεχίσουν την λειτουργία τους απρόσβλητα τα πειράματα, θα πρέπει κάποιες από τις παρούσες ανιχνευτικές διατάξεις να αναβαθμιστούν με νέες ικανές τεχνολογίες.Το πείραμα ATLAS, ένα από τα δυο πειράματα γενικού ενδιαφέροντος του LHC, έχει αποφασίσει να αναβαθμίσει μέρος του μιονικού φασματόμετρού του. Πιο συγκεκριμένα, η νέα πραγματικότητα που θα δημιουργήσει ο HL-LHC δεν θα είναι διαχειρίσιμη, ειδικά για περιοχές κοντά στο σημείο αλληλεπίδρασης. Μέχρι πρόσφατα το συγκεκριμένο κομμάτι του φασματόμετρου εξυπηρετούνταν από τα Small Wheels, τα οποία απαρτίζονταν από ανιχνευτές τύπου MDT, CSC και TGC. Μελέτες έχουν δείξει ότι σε καταστάσεις φωτεινότητας πολύ μεγαλύτερης από αυτήν που υπήρχε μέχρι τώρα, οι συγκεκριμένοι ανιχνευτές δεν θα είναι ικανοί ούτε να περιορίσουν το πλήθος των εσφαλμένων σκανδαλισμών αλλά ούτε και να παρέχουν ακριβή ανακατασκευή των τροχιών των φορτισμένων σωματιδίων που θα διέλθουν από αυτά. Ένα νέο σύστημα στην θέση του προϋπάρχοντος, το λεγόμενο New Small Wheels (NSW), προτάθηκε να αντιμετωπίσει αυτές τις προκλήσεις. Το σύστημα αυτό θα αποτελείται από ανιχνευτές small-strip Thin Gap Chambers (sTGC) και resistive-strip Micromegas (MM). Η τεχνολογία sTGC επιλέχθηκε για να προσφέρει πληροφορίες σκανδαλισμού κυρίως, ενώ η τεχνολογία ΜΜ θα συνεισφέρει στην ανακατασκευή των τροχιών. Με αυτές τις δυο τεχνολογίες θα γίνει εφικτός ο περιορισμός των ψευδών σκανδαλισμών. Επίσης θα είναι δυνατή η ακριβής online ανακατασκευή τμημάτων των μιονικών τροχιών στην περιοχή των αλληλεπιδράσεων με σθ ~ 1 mrad όπως και η πλήρης ανακατασκευή offline με σr=100 μm σε ρυθμούς διερχόμενων σωματιδίων που θα αγγίζουν τα 15 kH/cm2. Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει μια εισαγωγική περιγραφή του επιταχυντή LHC, όπως παράλληλα και των ανιχνευτικών διατάξεων που χρησιμοποιούνται στο μιονικό φασματόμετρο. Καθώς το περιεχόμενο αυτής της διατριβής πραγματεύεται την έρευνα και ανάπτυξη ανιχνευτών αερίου γεμίσματος και πιο συγκεκριμένα των διαφόρων τύπων ανιχνευτών Micromegas, το δεύτερο κεφάλαιο περιέχει μια εισαγωγή των απαραίτητων εννοιών που χαρακτηρίζουν τους συγκεκριμένους ανιχνευτές. Το NSW καταλαμβάνει μια επιφάνεια της τάξης των 1200 m2. Προκειμένου να κατασκευαστούν ανιχνευτές ικανοί να καλύψουν αυτήν την μεγάλη έκταση, χρησιμοποιήθηκαν εξειδικευμένες τεχνικές κατασκευής και εξεζητημένες πρώτες ύλες π.χ. PCB. Εξαιτίας αυτών των ιδιομορφιών επιλέχθηκε η κατασκευή των ανιχνευτών αυτών να λάβει χώρα σε εξειδικευμένα κατασκευαστικά εργαστήρια. Το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης συνέβαλε στην προσπάθεια αυτή αναλαμβάνοντας την κατασκευή ενός μέρους των ανιχνευτών αυτών. Καθότι τα κομμάτια που απαρτίζουν αυτούς τους ανιχνευτές θα πρέπει να πληρούν τις αυστηρές προδιαγραφές που είχε θεσπίσει το πείραμα ATLAS, ένα σύνολο ελέγχων λάμβανε χώρα κατά την κατασκευή τους προκειμένου να διασφαλιστεί η ποιότητα των παραγόμενων ανιχνευτών. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι τεχνικές κατασκευής που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και οι έλεγχοι που διενεργήθηκαν. Μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής στα διάφορα εργαστήρια, οι ανιχνευτές στέλνονταν στις εγκαταστάσεις του CERN. Εκεί έπρεπε να πραγματοποιηθεί η μελέτη της λειτουργίας των ανιχνευτών με κοσμική ακτινοβολία. Οι έρευνες αυτές είχαν να κάνουν με χαρακτηριστικά της λειτουργίας των ανιχνευτών όπως το φορτίο, η πολλαπλότητα των χτυπημένων readout strips και το μέγεθος των δημιουργημένων clusters. Επιπρόσθετα ελέγχθηκε το κατά πόσο επηρεάζεται το συλλεγόμενο φορτίο των readout strips από τον ρυθμό εισόδου του αερίου στον ανιχνευτή όπως επίσης και από την φορά εισόδου του. Μελετήθηκε ακόμα η χωρική διακριτική ικανότητά τους με διάφορα αέρια (ΑrCO2 και ArCO2C4H10). Tα αποτελέσματα των παραπάνω μελετών παρατίθενται στο κεφάλαιο 4. Η αυξημένη φωτεινότητα του HL-LHC θα έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία περισσότερων από 140 ταυτόχρονων αλληλεπιδράσεων πρωτονίων-πρωτονίων κατά την σύγκρουση των κυμματοπακέτων. Οι πληροφορίες των ανακατασκευασμένων τροχιών δεν θα είναι ικανές να αντιστοιχήσουν τα παραγόμενα σωματίδια με τις αρχικές αλληλεπιδράσεις σε ένα τόσο επιβαρυμένο περιβάλλον. Για να γίνει εφικτό αυτό, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί και η πληροφορία του χρόνου με ακρίβεια μεγαλύτερη από 30 ps. Οι τυπικοί ανιχνευτές αερίου γεμίσματος, όπως ο ΜΜ, λόγω της στοχαστικής φύσης των ιονισμών δεν μπορούν να εκτιμήσουν τον χρόνο διέλευσης ενός σωματιδίου με ακρίβεια μεγαλύτερη από μερικά ns. Για τον λόγο αυτό έχει προταθεί η προσαρμογή ενός τυπικού ΜΜ χρησιμοποιώντας τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η ακτινοβολία Cherenkov. Ο συγκεκριμένος ανιχνευτής ονομάζεται PICOSEC-Micromegas. Με την συγκεκριμένη παραμετροποίηση έχει επιτευχθεί η μέτρηση του χρόνου διέλευσης φορτισμένων σωματιδίων με ακρίβεια της τάξης των δεκάδων ps, τρεις τάξεις μεγέθους βελτιωμένη σε σχέση με έναν τυπικό ΜΜ. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται μια εκτεταμένη περιγραφή αυτού του τροποποιημένου ανιχνευτή καθώς ακόμη και τα αποτελέσματα που έδωσαν οι πρώτες μελέτες του. Επίσης παρουσιάζεται ο τρόπος εκτίμησης του πλήθους των εξαγόμενων φωτοηλεκτρονίων από την φωτοκάθοδο, αφού αποτελεί μια σημαντική παράμετρο για την αποδοτική λειτουργία του συγκεκριμένου ανιχνευτή. Προκειμένου να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί ένας ανιχνευτής σε πειράματα μεγάλης κλίμακας, είναι απαραίτητη η αύξηση της ενεργής επιφάνειας του ανιχνευτή. Στην περίπτωση του PICOSEC-Micromegas προτάθηκε η λύση της κατάτμησης της επιφάνειας σε πολλές μικρότερες με διαφορετικά κανάλια ανάγνωσης σήματος. Ο νέος αυτός σχεδιασμός ανέδειξε νέες προκλήσεις τόσο στην κατασκευή όσο και στην ανάλυση των δεδομένων ενός τέτοιου ανιχνευτή ιδιαίτερα στις περιοχές μεταξύ γειτονικών καναλιών. Η πρώτη προσπάθεια δημιουργίας ενός τέτοιους ανιχνευτή επηρεάστηκε από κάποιες κατασκευαστικές αστοχίες που είχαν σαν αποτέλεσμα την μη ομοιόμορφη αποδοτικότητα του ανιχνευτή σε όλη την επιφάνειά του. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η μελέτη αυτού του ανιχνευτή σε δέσμη μιονίων στις εγκαταστάσεις του CERN, καθώς και ο υπολογισμός διορθωτικών παραγόντων που θα μπορούσαν να δώσουν μια εκτίμηση της ικανότητας του συγκεκριμένου εγχειρήματος σε έναν άρτια κατασκευασμένο ανιχνευτή. Στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάζονται επιπλέον τα αποτελέσματα από έναν επανασχεδιασμένο ανιχνευτή πολλαπλών καναλιών στον οποίο αποφεύχθηκαν οι προαναφερθείσες αστοχίες.