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1 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Ein Silizium-Detektorsystem zur Spur- und Vertexmessung im CBM-Experiment bei FAIR Johann M.

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1 1 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Ein Silizium-Detektorsystem zur Spur- und Vertexmessung im CBM-Experiment bei FAIR Johann M. Heuser, GSI Darmstadt für die CBM-Kollaboration DPG-Tagung Physik der Hadronen und Kerne, München, März 2006 Das "Compressed Baryonic Matter"-Experiment Das "Silicon Tracking System" Konzept Detektorentwicklung Design-Studien

2 2 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor GSI heute FAIR - Facility for Antiproton and Ion Research 100 m UNILAC SIS 18 SchwerIonen-Synchrotrons SIS 100/300 Umfang: 1100 m Kerne: bis zu U, 45 AGeV p: bis zu 90 GeV HESR Super FRS NESR CR RESR ESR FLAIR CBM zukünftige Anlage Projekt-Management: Baubeginn: 2007/2008 Erste Strahlen: 2011 Vollbetrieb, CBM: 2015 Compressed Baryonic Matter Experiment Untersuchung stark wechselwirkender Materie bei hohen Baryonendichten.

3 3 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor CBM Physik & Observable Herausforderung: Spur- und Vertexmessung bis zu 10 7 Au+Au 25 GeV/Nukleon ~1000 Teilchen/zentr. Kollision, bis zu ~100 Spuren/cm 2 Impulsmessung mit Auflösung < 1% Messung von Sekundärvertices mit Auflösung 30 m schnelle Datennahme- und Trigger-Systeme PhysikObservable In-Medium-Eigenschaften von Hadronen: Wiederherstellung chiraler Symmetrie?,, e + e - (μ + μ - ) "open charm": D 0 K - +, D +(-) K -(+) ± ± Anzeichen für "Deconfinement": Unterdrückte "charmonium" Produktion? D 0, D ±, J/ e + e - (μ + μ - ) "Strangeness" in Materie: Erhöhte "strangeness" Produktion? K,,,, Kritischer Punkt: "Event-by-event" Fluktuationen?, K Messung von "open charm": Ein Hauptanliegen von CBM, eine der schwierigsten Messungen! URQMD Au+AU 25 GeV/Nukleon

4 4 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Spur-, Impuls- und Vertex-Messung: Exklusiv mit dem Silicon Tracking System Elektronen ID: RICH & TRD (& ECAL) Hadronen ID: TOF (& RICH) Photonen, 0, : ECAL Hohe Interaktionsraten Ausschließlich "High-level Triggers" Schnelle, selbst- getriggerte Auslese Strahl Target STS ( cm) TRDs (4,6, 8 m) TOF (10 m) ECAL (12 m) Dipol- magnet CBM-Experiment - Konzept Weitere spezifische Aufbauten, z.B. Myon-Option, werden studiert. RICH Vortrag HK 33.7, Mi. 15:45 Raum D C. Höhne et al., Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment bei FAIR

5 5 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Silizium-Spur- und Vertexdetektor vacuum Vertex- messung Spurmessung Pixeldetektoren Mikrostreifendetektoren z = 5,10,(20) cm z = (20),40,60,80,100 cm Detektorkonzept: Spur- and Vertexmessung in ausgezeichneten Zonen. Ad-hoc Annahmen zu Detektortechnologien und Anzahl der Stationen. Akzeptanz: mrad Erste Station: z=5 cm ; Fläche ~25 cm 2 Letzte Station: z=100 cm; Fläche ~1 m 2 Magnetisches Dipolfeld: ~ 1Tm, p/p p=1 GeV/c

6 6 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Spurmessung: Anforderung: 25 GeV/Nukleon: - ~600 geladene Teilchen/zentralem Stoß in Detektorakeptanz - bis zu ~100 Spuren/cm 2 /Ereignis. Impulsauflösung <1%. Bis zu 10 7 Kollisionen/Sekunde. - Stark segmentiert, ~15 µm Ortsauflösung. - Redundanz: "Viele" (min. 4, besser 9) Meßpunkte pro Teilchenspur. - Dünn: "Multiple scattering" ist kritisch. Elektronik/Kühlung ausserhalb der Akeptanz! - Keine Überlagerung von Ereignissen! Schnelle, selbst-getriggerte Auslese. Vertexmessung: Anforderung: Erkennung von Zerfällen mit schweren Quarks: D 0,± Rekonstruktion, kurze Zerfalls- längen Großer Zerfallslängen ( ) Gute Messung von Spurpunkten (Leichte Vektormesonen e + e - ) - Primär- u. Sekondärvertexauflösung < 50 µm. - Stark segmentiert, strahlenhart. - Sehr dünn, im Vakuum installiert. Sehr geringe Leistungsaufnahme. Kompakt. - Vertex mit reduzierter Zahl von Spurpunkten. - Große Akzeptanz, dE/dx, Zwei-Spur-Trennung. Erkennung von Elektron-Paaren/Untergrund. Anforderungen an die Detektoren

7 7 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Detektoren: Spurmessung MikrostreifendetektorenHybride Pixeldetektoren Etablierte Technologie. Dünne Sensoren (~300 µm), 1-dimensional segmentiert, typisch >=50 µm Raster. Messung von zwei Koordinaten möglich, ein-/zweiseitige Sensoren, Stereowinkel. Sensoren sind "passiv". Konstruktion von Modulen mit Ausleseelektronik und Kühlung außerhalb des aktiven Volumens. Schnelle Auslese. Strahlungstolerant. Geeignet für große Flächen. Noch relativ neue Technologie, aber bereits in Großprojekten verwendet (LHC). Echte zwei-dimensionale Spurpunkte. Kein Problem mit Kombinatorik. Pixelgröße typisch µm 2. Zukunft: 50 x 50 (100 x 100) µm 2 ? Schnelle Auslese, strahlungshart. Sensoren sind aktiv: Kühlung! Geeignet für moderat große Flächen. Projektive Geometrie: Problem mit kombinatorischen Spurpunkten bei hohen Spurdichten. Relativ dick (mehrere hundert µm Si) Sensorfläche verbraucht Leistung. Verbindung von Sensor- und Auslese- komponenten "kompliziert". F&E begonnen In Simulationen berücksichtigt! Interesse an Entwicklungen für PANDA!

8 8 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Mikrostreifen - Detektorentwicklung Sensor: dünn (< 300 µm), doppel- (ein?-)seitig segmentiert, kleiner Streifenabstand (50 µm), Stereowinkel: ~15 deg strahlungshart > n eq cm -2 F&E GSI-Moskau State Univ.: Produktion und Tests von Silizium Streifensensor-Prototypen für CBM Andere Ansätze: Tests von Sensoren anderer Experimente. Kommerzielle Produkte. Ausleseelektronik: DETectors for Neutron ESS entwickelt u.a. einen bildgebenden Silizium-Streifensensor mit n-Konverter, incl. neuartigen schnellen und selbst- triggernden Auslesechips: N-XYTER Alternative: CBM-GSI plant mit dem DETNI- Konsortium zusammenzuarbeiten: F&E GSI-MSU/MEPHI: Bausteine für einen selbst-getriggerten CBM Streifen Auslesechip. Sehr nahe an CBM-Anforderungen! Produktion im Frühjahr Plan: Test und Anpassung dieses Chips an CBM. Konstruktion eines CBM Demonstrator Detektormoduls.

9 9 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Herausforderung: Vertexmessung Rekonstruktion von Open Charm Einige hadronische Zerfälle: D (c = 317 m): D + K (9 0.6%) D 0 (c = m): D 0 K - + ( %) Sensoren hoher Granularität. Dünne Detektorstationen. Seltene Proben: Hohe Kollisionsraten. "High level charm trigger". D 0 K - + Target primäre Spuren c

10 10 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Kleine Pixel ~ 25 x 25 µm 2 Dünn – weniger als ~100 µm Si Strahlungshart > n equiv /cm 2 Schnelle Auslese – 10 7 Kollisionen/s Solch ein Detektor existiert nicht! Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS): - kleine Pixel: 25 x 25 µm 2 - dünn: Standard 120 µm; F&E lierfert: 50 µm - räuml. Auflösung: ~3 µm - zu langsame Auslese: ~ms/Mpixel Bild - Strahlungshärte ~10 12 n equiv. F&E von MAPS, zusammen mit IReS Strasbourg. Ziele: Erhöhung der - Auslesegeschwindigkeit: 10 µs, - Strahlungstoleranz: n equiv. - Verwendung in der ersten Phase von CBM, bei ~10 5 Kollisionen/s. - Lebensdauer bis zu einigen Monaten: einige 10 5 D 0 s messbar. - Mit MAPS werden wohl immer einige Ereignisse überlagert ausgelesen! Alternative mit ähnlichen Parametern: DEPFET Sensoren (MPI München). Zukunft: strahlungsharte, dünne "Silicon On Insulator" Sensoren? Detektoranforderungen zur "Open Charm" Messung: Pixeldetektoren zur Vertexmessung

11 11 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Herausforderung: Spurrekonstruktion MAPS pile-up (events) Spur- Kategorie Effizienz (%) Reference primary Ref. set All set Extra set Clone0.00 Ghost Erste Ansätze: Hohe Spurdichten, viele kombinatorische Spurpunkte in den Silizium Mikrostreifen Stationen. Schwierig! Neuere Methoden Zellulärer Automat + Kalman Filter: Erfolgreich! Auch andere Techniken, z.B. für Spur-Trigger. Beispiel: 4 Stationen Streifen + 3 Stationen MAPS MAPS-Auslese mit 10 überlagerten Ereignissen I. Kisel, Heidelberg, and S. Gorbunov, DESY

12 12 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Vom Konzept zum Detektorsystem Optimierungsstudien, "Full-Monte Carlo"-Simulationen: –Wie groß ist das maximal akzeptable Material-Budget? –Redundanz: Wie viele Detektorstationen sind notwendig? –Welche Art von Detektor wo?... Hängt evtl. von physikal. Messung ab. MAPS Streifendetektoren Hybride Pixel? Schnelle & effiziente Spurmessung. Spurrekonstruktion mit hoher Auflösung und großer Winkelabdeckung. Ultimative Vertex- auflösung.

13 13 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor 7 8 Stationen + Weniger "Ghosts". + Robuster gegen Ineffizienzen. + Weniger "Ghosts". + Robuster gegen Ineffizienzen. Parameter7 Stat.8 Stat.9 stat. RefPrim /event All tracks /event Ghosts/event Clones/event rec /\ /event CPU sec. / event Impulsauflösung1.00%1.18%1.32% 7 9 Stationen, Rekonstruktion GeometryD 0 Reko. Eff. (%) SV Aufl. (µm) D 0 Massen- aufl. (MeV) ΔP/PD 0 pro MB Kollisionen 2 MAPS 1 Hybrid, 4 Strips k MAPS µm 2, 150 µm Si; Hybride Pixel µm 2, 750 µm Si; Strips, 50 µm, 400 µm Si + Robuster + Schneller. - Schlechtere Impulsauflösung. - mehr "Ghosts" + Robuster + Schneller. - Schlechtere Impulsauflösung. - mehr "Ghosts" 7 Stationen, D 0 Rekonstruktion Einige Interim-Ergebnisse

14 14 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Streifendetektor – Module & Stationen Sensorelemente: Silizium 200 m dick. Doppelseitig, strahlungs- tolerant. 50 m (ursprünglich 25 m) Streifenabstand. Innen : 6x4 cm Mitte : 6x12 cm Außen :6X20 cm Untersuchung von: Streifenlänge, Abstand, Stereowinkel (Minimisierung der Kombinatorik) Mechanik, Position der Ausleseelektronik? (auf den Sensoren / außerhalb der Akeptanz) siehe CBM Technical Status Report 2005 Vier Detektorstationen: kleine Zahl von Wafer-Typen. Streifenlänge abhängig von Spurdichte.

15 15 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Alternatives Design in der CBM Simulation - Wenige Wafer-Typen. - zur Konstruktion von wenigen Modultypen. - Streifen Ablenkung im Feld. - Ausleseelektronik & Kühlung außerhalb des aktiven Volumens. - Studium von ineffizienten Detektorregionen, sich überlappenden Modulen. - Komplementär zur F&E von Prototypen. Auslese & Kühlung Prinzip eines Detektormoduls Sensoren Auslese

16 16 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Zusammenfassung CBM – Geplantes "Fixed-Target" Schwerionen-Experiment am FAIR/SIS300 zur systematischen Untersuchung von Kernmaterie bei extremen Dichten. – Spur- und Vertexmessung exklusiv mit einem Silizium-Detektorsystem. – Schlüssel zur Physik von CBM. Leistungsanforderungen: – Effiziente Spurmessung, hohe Impulsauflösung. Viele (~9) dünne Detektorstationen: Siliziumstreifen, Hybride Pixels? – Hochauflösende Vertexmessung: Hauptanliegen ist "Open charm". Kleine Pixel, dünn, strahlungshart, schnell. Nicht verfügbar. F&E! Detektorentwicklung: – Dünne, doppelseitige Mikrostreifensensoren mit schneller selbst- triggernder Auslese (Spurmessung). – MAPS: Strahlungshärte, schnellere Auslese (Vertexmessung). Studien zur Optimierung des Detektors: – gegenwärtig im Zentrum der Aktivitäten. – Grundlage für realistische Simulationen von CBM, sowie Systemdesign.

17 17 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor Weitere STS-relevante CBM-Präsentationen C. Höhne et al., HK 33.7 Mi 15:45 D Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment bei FAIR C. Steinle et al., HK 32.7 Mi 15:45 H Tracking in the Silicon Tracker System of the CBM Experiment using Hough Transform I. Kisel et al., HK Di 15:30 P Spur-Rekonstruktion im CBM-Experiment I. Vassiliev et al., HK Di P Open charm measurements with the CBM detector S. Amar-Youcef et al., HK Di 15:30 P Strahlenhärte von Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) im Kontext des CBM- Experiments T. Galatyuk et al., HK Di 15:30 P Strategies for electron pair reconstruction in CBM


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