Characterization of semiconductor detectors and test beams with high-rate telescopes for the Tracker upgrade of the CMS experiment
Authors: Ασένοβ Πάτρικ 
Published: September 2021

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.