Il rivelatore a Pixel

ATLAS
Il rivelatore a PIXEL di ATLAS
•
•
•
•
Rivelatori traccianti
Pixel detector
Costruzione/installazione del detector
E adesso?
Claudia Gemme INFN-Genova
11/15/2007
M.Nessi
Un rivelatore per LHC
I rivelatori sono posti nei punti in cui i due
fasci vengono fatti collidere tra di loro.
Devono essere in grado di:
- identificare le particelle che si formano
- misurare l’energia , la carica e la direzione di
ciascuna particella
A complicare:
- Molte particelle che si formano nelle interazioni, per
esempio Z,W, Higgs, decadono immediatamente in
particelle piu’ elementari; altre riescono a percorre
alcuni cm e poi decadono formando vertici ‘secondari’
-alcuni costituenti fondamentali (i quarks) non sono
capaci di stare da soli e formano immediatamente
particelle composte.
- dalle particelle secondarie si deducono le
proprieta’ di quelle genitrici e dei processi elementari
2
Produrre particelle ad alta energia (massa)
 Massa ed energia sono equivalenti (E=mc2), quindi è
possibile creare e distruggere particelle:
jet adronico
e
+
g, Z0
Energia
q
q
jet adronico
e
-
Giugno 2014
Fisica ai Collisionatori Adronici
3
Produrre particelle ad alta energia (massa)
• Esistono sorgenti naturali di particelle: ad esempio, dal
sole e dal cosmo riceviamo intensi flussi di particelle di
diversi tipi ed energie.
• Tuttavia gli acceleratori di particelle costituiscono il modo
più comodo di produrre e studiare particelle.
• Si accelerano particelle «comuni» (elettroni, protoni) e si
provocano urti con bersagli fissi (nuclei) o altri fasci di
particelle.
Giugno 2014
Fisica ai Collisionatori Adronici
4
Acceleratori al Cern
L’SPS è un acceleratore circolare in grado
di accelerare elettroni, protoni e ioni di
piombo. È stato (e sarà) usato sia come
iniettore per altri acceleratori, sia come
collider protone-antiprotone a 300 GeV
per fascio. In questa modalità ha
permesso agli esperimenti UA1 e UA2 la
scoperta del W e dello Z.
LHC è il nuovo acceleratore del CERN, in
presa dati dal 2009.
È installato nel nel tunnel del LEP
(circonferenza 27 km).
È un acceleratore protone-protone a 7+7
TeV e Pb-Pb a 2.8+2.8 TeV per nucleone.
Giugno 2014
Fisica ai Collisionatori Adronici
5
Se LHC fosse a Genova: dall’areoporto a Nervi!
7 anni di costruzione nel
tunnel gia‘ utilizzato da LEP:
1989-2000
LHC
Tunnel LHC:
27 km di
circonferenza
CMS
LHCb
ALICE
7
28/5/2013
C. Gemme - F. Parodi - Atlas results
Leonardo Rossi
ATLAS
7
LHC bunch structure - 2012
1 PS batch
(36
bunches)
Abort gap
• 50 ns bunch spacing
• Maximum bunch intensity 1.7 x 1011 protons per
bunch
1 SPS batch
(144 bunches)
26.7 km 1380 bunches
8
Come e’ fatto un “microscopio” (a strati specializzati…)
tracciatore
Calor. adronico
fotone
elettrone
muone
adrone carico (p)
adrone neutro (n)
neutrini
Cal. Elettrom.
Rivelatore m
Il tracciatore e il rivelatore di muoni
sono immersi in un campo magnetico in modo
che dalla curvatura delle tracce cariche si misuri
la loro velocita (impulso)
Tracciatore
 Sono strati sottili di gas o semiconduttore che
vengono ionizzati (cioe’ vengono strappati
dagli atomi gli elettroni piu’ esterni, meno
legati) dalla particella carica che passa.
 La ionizzazione genera un piccolo impulso di
corrente raccolto da elettrodi, amplificato e
memorizzato dando cosi’ origine a un ‘hit’,
ovvero un ‘punto’ sul piano del rivelatore.
 Il tracciatore deve essere piu’ trasparente
possibile al passaggio delle particelle in modo
da non perturbarne le proprieta’.
 Con successive analisi dei dati:
 Da un insieme di hit allineati su una traiettoria
si forma una traccia.
 Il tracciatore e’ di solito in un campo
magnetico: le particelle cariche curvano -> dal
raggio di curvatura si misura la velocita’ della
particella.
Raggi
cosmici
Tracking in ATLAS
 Three different
technologies detectors in a
2T Solenoid Magnet
 ~ 6m long, 1.1m radius
 Pixels: 50x400 μm2 cell
 Silicon Strips (SCT): 80 μm
pitch, 40 mrad stereo
strips
 Transition Radiation
Tracker (TRT): straw tubes
providing up to 36
hits/track with e/p
separation
Tracking: Inner Detector
 Three different
technologies detectors in a
2T Solenoid Magnet
 ~ 6m long, 1.1m radius
 Pixels: 50x400 μm2 cell
 Silicon Strips (SCT): 80 μm
pitch, 40 mrad stereo
strips
 Transition Radiation
Tracker (TRT): straw tubes
providing up to 36
hits/track with e/p
separation
Challenge: ~1k
tracks /25 ns
36 precision
points per
track in
TRT
7 precision Si
points/track
each rf and z
Required Resolution on momentum:
spT /pT = 0.05% pT ⊕1%, | h |<2.5
MC
Rivelatori a Pixel
 In un rivelatore a pixel gli elementi sensibili sono organizzati in una matrice.
 Se un campo elettrico esterno e’ applicato al rivelatore, gli elettroni si
muovono verso la superficie del rivelatore formando una piccola corrente
elettrica che viene amplificata, trattata e mandata verso l’esterno da un
chip di elettronica.
 Il contatto tra sensore e elettronica è realizzato con una tecnica di
microconnessione detta “bump bonding”, che utilizza reticoli di sferette
conduttrici del diametro di pochi micron.
pixel
colpito
In ATLAS il rivelatore
piu’ vicino alle collisioni
e’ un rivelatore a Pixel
che da’ precisione di
~10 um.
Perche’ il rivelatore a Pixel?
 Perche’ dobbiamo ricostruire con precisione tracce e
vertici dove la densita’ di particelle e’ maggiore!
2011 event with 20 primary vertices
Il rivelatore a Pixel:
dalle idee al rivelatore funzionante
Prima del 1998: vari gruppi di ricerca per sviluppo tecnologie
1998 Descrizione tecnica del rivelatore
2004 inizio della produzione dei moduli nel laboratori
2006 inizio integrazione al Cern: assemblaggio del rivelatore
in superficie
Giugno 2007 installazione in ATLAS
Settembre 2008 primi cosmici osservati nel rivelatore
Autunno 2009: prime collisioni in LHC
The ATLAS Pixel Detector le idee
B-Layer
Layer-1
B-Layer
Disks
• The Pixel Detector is the vertex
detector for the ATLAS
experiment.
• It consists of three barrel layers
and six disks, covering with
three precise measurement
points
• Radius =5, 9,12 cm
• There are a total of 80 million
channels and a sensitive area of
1.6 m2.
Beampip
e
Il concetto di modulo
 I moduli – 1744 in tutto- sono i
i mattoni del rivelatore a pixel.
 La parte sensibile del
rivelatore e’ uno strato di
Silicio (60.8×16.4 mm2 × 250
mm diviso in una matrice di
pixel (50 mm × 400 mm)
 Su ogni pixel e’ deposta una
pallina di In o Sn/Pb per creare
il contatto con i chip di
elettronica.
 16 front-end electronics chips
sono connessi al sensor
(tecnica del bump-bonding)
 Un circuito incollato sul retro
del sensore permette la
comunicazione con il mondo
esterno e il routing delle
alimentazioni.
 E poi i moduli sono incollati su
delle stecche di Carbonio.
Circa 800 sono stati costruiti e
qualificati a Genova nel 2004-2006!
Le fasi dell’integrazione
Un vero lavoro
di squadra!
... E poi l’installazione in ATLAS (June 2007)
20
E adesso: Long shutdown 2012-14
 Abbiamo costruendo un nuovo rivelatore, IBL (insertable B Layer),
da inserire ancora piu’ vicino al punto di interazione 3.5 cm di
raggio.
 Cosi’ avremo 4 punti molto precisi e la ricostruzione delle tracce e
dei vertici potra’ migliorare.
 14 stecche con 20 moduli montati in estate
• A Genova costruiti meta’ dei moduli. Adesso vi facciamo vedere
come lo facciamo.
IBL installato e funzionante
Pixel
IBL