Research and Development of Micromegas Detectors for New Physics Searches
Creators: name: Μανιάτης, Ιωάννης Μ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Ανιχνευτές μιονίων
Ανιχνευτές αερίου γεμίσματος
Χρονική διακριτική ικανότητα
Χωρική διακριτική ικανότητα
Gaseous detector
Micromegas
Muon detector
ATLAS experiment

description: 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 (HL-LHC). Το πείραμα ATLAS 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. 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. 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. Μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής στα διάφορα εργαστήρια, οι ανιχνευτές στέλνονταν στις εγκαταστάσεις του CERN, όπου έλαβε χώρα η μελέτη της λειτουργίας των ανιχνευτών με κοσμική ακτινοβολία. Οι έρευνες αυτές είχαν να κάνουν με χαρακτηριστικά της λειτουργίας των ανιχνευτών όπως το φορτίο και η πολλαπλότητα των χτυπημένων readout strips. 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). Κατά την αναβάθμιση σε HL-LHC οι πληροφορίες των ανακατασκευασμένων τροχιών των σωματιδίων δεν θα είναι ικανές να αντιστοιχήσουν τα σωματίδια αυτά με τις αρχικές αλληλεπιδράσεις. Για να γίνει εφικτό αυτό, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί επιπρόσθετα η πληροφορία του χρόνου με ακρίβεια καλύτερη από 30 ps. Για να καταφέρει ένας τυπικός ΜΜ αυτά τα χρονικά αποτελέσματα, πρέπει να τροποποιηθεί και να χρησιμοποιηθούν τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η ακτινοβολία Cherenkov. Ο συγκεκριμένος ανιχνευτής ονομάζεται PICOSEC-Micromegas. Προκειμένου να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί ένας ανιχνευτής σε πειράματα μεγάλης κλίμακας, είναι απαραίτητη η αύξηση της ενεργής επιφάνειάς του. Στην περίπτωση του PICOSEC-Micromegas προτάθηκε η λύση της κατακτημένης επιφάνειας με διαφορετικά κανάλια ανάγνωσης σήματος. Η πρώτη προσπάθεια δημιουργίας τέτοιου ανιχνευτή επηρεάστηκε από κατασκευαστικές αστοχίες που είχαν σαν αποτέλεσμα την μη ομοιόμορφη αποδοτικότητα του ανιχνευτή σε όλη την επιφάνειά του. Υπολογίστηκαν διορθωτικοί παράγοντες ώστε να εκτιμηθεί η απόδοση ενός άρτια κατασκευασμένου ανιχνευτή. Ένας επανασχεδιασμένος ανιχνευτής πολλαπλών καναλιών ακτινοβολήθηκε επίσης. Μελετήθηκαν συνεχόμενα γειτονικά κανάλια, αλλά και μικρότερες περιοχές εντός του κάθε καναλιού ανάγνωσης σήματος, ώστε να ελεγχθεί η ομοιόμορφη λειτουργία του κατά μήκος της επιφάνειάς του. Επίσης εκτιμήθηκε η χρονική διακριτική ικανότητα του ανιχνευτή για όταν διαμοιράζεται το σήμα μεταξύ γειτονικών καναλιών, όπως και μια «global» παραμετροποίηση που χαρακτηρίζει συνολικά τον ανιχνευτή.
description: The operation of the Large Hadron Collider (LHC) and its experiments have confirmed the existence of particles with their measurements. One of the last outstanding results was the discovery of the Higgs boson in 2013. The accelerated particles should interact with even higher energies to discover indices of New Physics beyond the Standard Model. Due to this demand, the accelerator will be upgraded to the High-Luminosity LHC. The ATLAS experiment, a general-purpose high luminosity experiment at the LHC, concluded to upgrade its muon spectrometer. This decision was made, as the old detecting system will not be sufficient to manage the high demands of the HL-LHC era, especially for regions nearby the interaction point. The New Small Wheels (NSW) proposed to replace the existing detecting system. The suggested design comprises small-strip Thin Gap Chambers (sTGC) and resistive-strip Micromegas (MM). The NSW will occupy a total area larger than 1200 m2. Custom materials, e.g., PCBs, and innovative techniques developed to construct large area detectors of such a size. Due to the uncommon detectors' dimensions and the unusual production methods, their construction took place in specialised laboratories. Various quality control measurements were performed during the construction of these parts of the detectors, as they should fulfil the strict specifications of the ATLAS experiment. After the construction completion, all MM detectors were sent to the CERN facilities. Cosmic ray studies validated their optimal operation. These studies tested several operational characteristics of the detectors like their gain, the strips' multiplicity, and the size of the clusters. Also, studies concerning any correlation between the gas flow (rate and direction) and the detector's operation were performed. Moreover, it was measured the detector's efficiency and the spatial resolution with different gas fillings mixtures (ArCO2 and ArCO2C4H10). After the HL-LHC luminosity upgrade, the tracking information will be insufficient to associate the interactions to the corresponding vertex. The data from the time dimension is necessary to separate these vertices. The time information should be with a resolution of at least 30 ps precision. To achieve this resolution a typical gaseous detector, like the MM, must be customised and benefit from the Cherenkov effect. That modified detector is called PICOSEC-Micromegas. To implement the PICOSEC-Micromegas detector on a large-scale experiment its surface should be increased. It was proposed a design of a multi-pad detector surface, with different readout channels on each pad. This design introduced new challenges regarding detector construction. Moreover, the data processing for the regions nearby neighbouring pads requires special treatment. The first multi-pad prototype had a non-uniform performance across its surface due to construction structure impact to the flatness of the PCB. It was estimated flatness correction parameters for this detector, which permitted the performance estimation of a well-flatted detector. It was studied also a redesigned multi-pad. It was estimated the uniformity of timing performance from consecutive pads. Moreover, it was estimated the timing resolution for sharing signals between neighbouring pads. Finally, it was calculated a “global” parametrisation which describes all the pads independently of their position.