Sensores pixelados altamente resistentes a la radiación para la mejora a alta luminosidad del detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones

Abstract

RESUMEN Debido a su alta luminosidad instantánea, la futura renovación del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), impondrá estrictos requisitos en términos de tolerancia a la radiación a toda la tecnología implicada en su cadena de aceleración, así como en su maquinaria de detección de partículas. Uno de los grandes experimentos encargados de registrar las energéticas colisiones de protones es el Solenoide Compacto de Muones (CMS). Los sensores que conforman su detector de trazas interno (IT) deberán enfrentarse a una tasa de colisiones sin precedentes, diez veces mayor que la del detector actual. La tecnología de píxeles 3D de silicio, con su superior tolerancia a la radiación, y su reducido voltaje de operación y disipación de potencia, es considerada como opción válida para las capas más internas del IT, soportando sus altos niveles de radiación. Tras contextualizar la situación actual de CMS y establecer las condiciones de su fu- tura actualización, se presenta la Física que hay detrás de los procesos de detección y las tecnologías existentes. Esto llevará a la presentación de la tecnología que he testado - los sensores 3D - así como las técnicas de caracterización y procesos de análisis empleados. Se realiza un estudio y caracterización de sensores de silicio 3D pixelados, fabricados por el Centro Nacional de Microelectrónica (CNM, España) y la Fondazione Bruno Kessler (FBK, Italia). Los sensores se operan conectados mediante micro-soldaduras a los chips de lectura ROC4SENS y RD53A. Antes y después de irradiarlos con protones, se someten a varias medidas "test beam" en el Súper Sincrotrón de Protones del LHC (SPS) y en el Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY). En el Capítulo 1 se presenta el LHC actual, así como sus futuras necesidades una vez actualizado a alta luminosidad (HL). Se explican los requisitos que los sensores 3D deben satisfacer para ser operados con éxito dentro del nuevo IT de CMS. El Capítulo 2 se adentra en los procesos físicos que explican el funcionamiento de los sensores de silicio, así como su estructura y fabricación. El Capítulo 3 introduce los dispositivos en estudio, su proceso de irradiación y los lugares de medida, así mismo, se explica el algoritmo de reconstrucción de datos y los parámetros de interés. El Capítulo 4 constituye el resumen de los resultados obtenidos tras la completa caracterización de los sensores. Se estudia la eficiencia de hit, colección de carga, tamaño de clúster y resolución de hit, tanto como para sensores nuevos como irradiados. Se tiene en consideración la respuesta en función del voltaje, ángulo de incidencia del haz de partículas y temperatura. La presente tesis pretende demostrar que la tecnología 3D es altamente adecuada para las capas más internas de reconstrucción de trazas del detector CMS.

ABSTRACT Due to its large instantaneous luminosity, the future upgrade of the largest particle accelerator of the world, the Large Hadron Collider (LHC), is going to set strong requirements on the radiation hardness of all the technology involved in its accelerating system, but also in its particle detection machines. One of the big detectors recording the energetic proton collisions is the Compact Muon Solenoid (CMS). The sensors comprising its inner tracker (IT) will have to face an unprecedented rate of collisions, ten times higher than the current detector. The silicon 3D pixel technology, with its superior radiation hardness and lower operation voltage and power dissipation, is being considered in CMS as a valid option for the innermost layers in order to cope with these extremely high radiation tolerance requirements. After contextualizing the current CMS situation, as well as stating the future upgrade conditions, a study of the Physics behind the detection processes and the state-of-the-art is carried out. This will bring us to the presentation of the technology I have tested - the 3D sensors - together with the characterisation techniques and analysis processes employed. A full study and characterisation of pixelated 3D silicon sensors fabricated by Centro Nacional de Microelectrónica (CNM, Spain) and Fondazione Bruno Kessler (FBK, Italy) is performed. The sensors were bump-bonded to ROC4SENS and RD53A readout chips. They were measured, both fresh and after proton irradiation, at several test beams in the LHC Super Proton Synchrotron (SPS), and in the German Electron Synchrotron (DESY). Chapter 1 introduces the current LHC and its high luminosity upgrade future necessities. The requirements 3D sensors must fulfill to be successfully operated inside the upgraded CMS IT are explained. Chapter 2 gives a comprehensive overview of the physical processes and working principles behind silicon sensors, as well as how they are structured and fabricated. Chapter 3 introduces the devices under test, their irradiation process and testing setups, as well as the data reconstruction algorithm and parameters of interest. Chapter 4 constitutes the summary of the results obtained from the full characterisation. Results on hit efficiency, charge collection, cluster size and hit resolution, for fresh and irradiated samples, are presented. Response as a function of bias voltage, particle beam incidence angle and temperature is considered. This thesis aims to demonstrate that the 3D technology is highly suitable for the CMS innermost tracking layers.