ATLAS Il rivelatore a PIXEL di ATLAS • Tracking detectors • Pixel detector • Costruzione/installazione del detector • Funziona! • Uno sguardo al futuro Claudia Gemme INFN-Genova 29 Aprile 2009, CERN 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 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 dalla particella carica che passa. Il tracciatore deve essere piu’ trasparente possibile al passaggio delle particelle in modo da non perturbarne le proprieta’. 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. 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 l’impulso p della particella. Con le tracce si ricostruisono i vertici primari e/o secondari. 3D Hit 2D Hit information Evoluzione dei tracciatori multi-wire proportional chambers (1968) and drift chambers (>1972) Risoluzione: mm -100μm, Densita’: 0.05 channels / cm2 electronic recording of tracks vertex drift chambers (~1981) Risoluzione: ~ 50μm, Densita’: 0.1 channels / cm2 vertexing, life times of long (~ps) lived particles Silicon micro strip (>1983) Risoluzione: <10μm Densita’: 100 channels / cm2 Precision vertexing Pixel (>1993) Risoluzione: ~10μm Densita’: 5000 channels / cm2 Tracking and vertexing in LHC Rivelatori a semiconduttori Se una part. carica attraversa un rivelatore a semiconduttore, ionizza i suoi atomi formando coppie di elettroni e lacune, proporzionalmente all’energia rilasciata. Se un campo elettrico esterno e’ applicato al rivelatore, elettroni (e lacune) si muovono verso la superficie del rivelatore formando una piccola corrente che viene amplificata, trattata e mandata verso l’esterno dall’elettronica di front-end -> HIT I pixel essendo una matrice danno un’informazione in 3D. Le strip sono rivelatori bidimensionali per cui per avere l’informazione spaziale bisogna sovrapporne piu’ strati ortogonali tra di loro. Rivelatori a semiconduttori Se una part. carica attraversa un rivelatore a semiconduttore, ionizza i suoi atomi formando coppie di elettroni e lacune, proporzionalmente all’energia rilasciata. Se un campo elettrico esterno e’ applicato al rivelatore, elettroni (e lacune) si muovono verso la superficie del rivelatore formando una piccola corrente che viene amplificata, trattata e mandata verso l’esterno dall’elettronica di front-end -> HIT I pixel essendo una matrice danno un’informazione in 3D. Le strip sono rivelatori bidimensionali per cui per avere l’informazione spaziale bisogna sovrapporne piu’ strati ortogonali tra di loro. Strip colpita pixel colpito Il tracciatore di ATLAS Combina tre tipi diversi di tecnologie per massimizzare le prestazioni e minimizzare il costo. Deve essere il grado di tracciare ~1000 tracce ogni 25 ns! Pixel ad alta granularita’ a piccoli r dove la densita’ di tracce e’ maggiore. Pixel e Strip interni piu’ resistenti alle radiazioni. Un rivelatore a gas, TRT, all’esterno per avere continuita’ di punti su un grosso volume. Challenge: ~1k tracks /25 ns 7 precision Si points/track each rf and z 36 precision points per track in TRT Il tracciatore di ATLAS 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? The ATLAS Pixel Detector le idee • The Pixel Detector is the vertex detector for the ATLAS experiment. B-Layer Layer-1 B-Layer Disks • It consists of three barrel layers and six disks, covering with three precise measurement points the region up to 2.5. • Innermost layer (B-layer) at R=5 cm • There will be 1456 barrel modules and 288 forward modules, for a total of 80 million channels and a sensitive area of 1.6 m2. • Modules will operate in an environment temperature below 0ºC and within a 2T solenoidal magnetic field. Beampip e • Components have been tested to be rad-hard 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 permmette la comunicazione con il mondo esterno e il routing delle alimentazioni. Le fasi dell’integrazione Un vero lavoro di squadra! ... E poi l’installazione in ATLAS(June 2007) 15 Funziona! Pixel strip Efficienza di trovare un hit associata ad una traccia per I moduli attivi nel pixel barrel. E’ intorno al 99.8%. Distribuzione dei residui, cioe’ distanza tra il fit della traccia e l’hit. La sua RMS e’ la risoluzione del rivelatore. Si pensa gia’ al prossimo LHC non e’ ancora partito ed ATLAS non ha ancora registarto eventi di collisione, ma bisogna gia’ pensare al futuro visti I tempi di sviluppo, progettazione ed integrazione: • Nel 2013: Upgrade del rivelatore presente con l’inserimento di un ulteriore cilindro piu’ vicino al punto di interazione nel 2013 • >2017: sostituzione di tutto il tracciatore per SLHC: non piu’ rivelatore a gas nella parte esterna ma solo Pixel e strip.