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.