J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

Präsentation zum Thema: "J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor"—  Präsentation transkript:

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 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

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

3 CBM Physik & Observable
In-Medium-Eigenschaften von Hadronen: Wiederherstellung chiraler Symmetrie? , ,   e+e- (μ+ μ-) "open charm": D0  K-+, D+(-)  K-(+) ± ± Anzeichen für "Deconfinement": Unterdrückte "charmonium" Produktion? D0, 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! Herausforderung: Spur- und Vertexmessung bis zu 107 Au+Au 25 GeV/Nukleon ~1000 Teilchen/zentr. Kollision, bis zu ~100 Spuren/cm2 Impulsmessung mit Auflösung < 1% Messung von Sekundärvertices mit Auflösung  30 m schnelle Datennahme- und Trigger-Systeme URQMD Au+AU 25 GeV/Nukleon J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

4 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor
CBM-Experiment - Konzept Spur-, Impuls- und Vertex-Messung: Exklusiv mit dem Silicon Tracking System Elektronen ID: RICH & TRD (& ECAL) Hadronen ID: TOF (& RICH) Photonen, p0, m: ECAL Hohe Interaktionsraten Ausschließlich "High-level Triggers" Schnelle, selbst getriggerte Auslese Vortrag HK 33.7, Mi. 15:45 Raum D C. Höhne et al., Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment bei FAIR ECAL (12 m) TOF (10 m) TRDs (4,6, 8 m) RICH Dipol- magnet Strahl Target STS ( cm) Weitere spezifische Aufbauten, z.B. Myon-Option, werden studiert. J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

5 Silizium-Spur- und Vertexdetektor
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 cm2 Letzte Station: z=100 cm; Fläche ~1 m2 Magnetisches Dipolfeld: ~ 1Tm, p/p <1% @ p=1 GeV/c 7 Spurmessung 6 5 Vertex-messung 4 3 2 1 vacuum Pixeldetektoren z = 5,10,(20) cm Mikrostreifendetektoren z = (20),40,60,80,100 cm J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

6 Anforderungen an die Detektoren
Spurmessung: Anforderung: 25 GeV/Nukleon: - ~600 geladene Teilchen/zentralem Stoß in Detektorakeptanz bis zu ~100 Spuren/cm2/Ereignis. Impulsauflösung <1%. Bis zu 107 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: Erkennung von Zerfällen mit schweren Quarks: D0,± 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. J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

7 Detektoren: Spurmessung
Mikrostreifendetektoren Hybride 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 50  400 µm2. Zukunft: 50 x 50 (100 x 100) µm2? 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". In Simulationen berücksichtigt! F&E begonnen Interesse an Entwicklungen für PANDA! J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

8 Mikrostreifen - Detektorentwicklung
Sensor: dünn (< 300 µm), doppel- (ein?-)seitig segmentiert, kleiner Streifenabstand (50 µm), Stereowinkel: ~15 deg strahlungshart > 1014 neq cm-2 Ausleseelektronik: F&E GSI-MSU/MEPHI: Bausteine für einen selbst-getriggerten CBM Streifen Auslesechip. Alternative: CBM-GSI plant mit dem DETNI-Konsortium zusammenzuarbeiten: F&E GSI-Moskau State Univ.: Produktion und Tests von Silizium Streifensensor-Prototypen für CBM Andere Ansätze: Tests von Sensoren anderer Experimente. Kommerzielle Produkte. Plan: Test und Anpassung dieses Chips an CBM. Konstruktion eines CBM Demonstrator Detektormoduls. DETectors for Neutron ESS entwickelt u.a. einen bildgebenden Silizium-Streifensensor mit n-Konverter, incl. neuartigen schnellen und selbst-triggernden Auslesechips: N-XYTER Sehr nahe an CBM-Anforderungen! Produktion im Frühjahr 2006. J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

9 Herausforderung: Vertexmessung  Rekonstruktion von Open Charm
Einige hadronische Zerfälle: D (c = 317 m): D+  K-++ (9  0.6%) D0 (c = m): D0  K-+ (3.9  0.09%) D0→K-+ Target primäre Spuren c  Sensoren hoher Granularität.  Dünne Detektorstationen. Seltene Proben:  Hohe Kollisionsraten.  "High level charm trigger". J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

10 Pixeldetektoren zur Vertexmessung
Detektoranforderungen zur "Open Charm" Messung: F&E von MAPS, zusammen mit IReS Strasbourg.  Ziele: Erhöhung der Auslesegeschwindigkeit: 10 µs, Strahlungstoleranz: 1013 nequiv. - Verwendung in der ersten Phase von CBM, bei ~105 Kollisionen/s. - Lebensdauer bis zu einigen Monaten: einige 105 D0s 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? Kleine Pixel ~ 25 x 25 µm2 Dünn – weniger als ~100 µm Si Strahlungshart > 1014 nequiv/cm2 Schnelle Auslese – 107 Kollisionen/s Solch ein Detektor existiert nicht! Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS): - kleine Pixel: x 25 µm2 - dünn: Standard 120 µm; F&E lierfert: 50 µm - räuml. Auflösung: ~3 µm - zu langsame Auslese: ~ms/Mpixel Bild - Strahlungshärte ~1012 nequiv. J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

11 Herausforderung: Spurrekonstruktion
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 pile-up (events) 5 10 20 50 100 Spur- Kategorie Effizienz (%) Reference primary 96.37 96.08 95.84 95.15 93.79 91.47 Ref. set 92.87 92.55 92.30 91.58 90.06 87.94 All set 86.17 85.52 84.97 83.69 80.97 78.47 Extra set 63.33 61.57 59.98 56.79 51.60 47.88 Clone 0.00 Ghost 2.47 3.59 4.55 6.53 9.85 13.33 MAPS-Auslese mit 10 überlagerten Ereignissen I. Kisel, Heidelberg, and S. Gorbunov, DESY J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

12 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. Streifendetektoren Hybride Pixel? MAPS Spurrekonstruktion mit hoher Auflösung und großer Winkelabdeckung. Ultimative Vertex-auflösung. Schnelle & effiziente Spurmessung. J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

13 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor
Einige Interim-Ergebnisse 7 Stationen, D0 Rekonstruktion Geometry D0 Reko. Eff. (%) SV Aufl. (µm) D0 Massen- aufl. (MeV) ΔP/P D0 pro 1012 MB Kollisionen 2 MAPS 1 Hybrid, 4 Strips 7.0 53 11 0.94 106 k MAPS 2525 µm2, 150 µm Si; Hybride Pixel 5050 µm2, 750 µm Si; Strips, 50 µm, 400 µm Si 7 8 Stationen 7 9 Stationen,  Rekonstruktion Parameter 7 Stat. 8 Stat. 9 stat. RefPrim /event 363 397 401 All tracks /event 503 573 583 Ghosts/event 26.2 13.2 15.6 Clones/event 1.4 6.7 11.4 rec /\ /event 2.5 4.0 5.7 CPU sec. / event 141 134 82 Impulsauflösung 1.00% 1.18% 1.32% + Weniger "Ghosts". + Robuster gegen Ineffizienzen. + Robuster Schneller. - Schlechtere Impulsauflösung. - mehr "Ghosts" J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

14 Streifendetektor – Module & Stationen
 siehe CBM Technical Status Report Vier Detektorstationen: kleine Zahl von Wafer-Typen. Streifenlänge abhängig von Spurdichte. 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) J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

15 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor
Alternatives Design in der CBM Simulation Auslese & Kühlung - 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 Auslese Sensoren J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

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. J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor

17 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 J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor