Design, construction and commissioning of the CMS Tracker at CERN and proposed improvements for detectors at the future International Linear Collider

Abstract

Der CMS (Compact Muon Solenoid)-Detektor ist ein Experiment der Teilchenphysik von gewaltigem Ausmaß und befindet sich an einem der vier Proton-Proton-Kollisionspunkte des Large Hadron Collider (LHC) am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung in Genf (Schweiz). Der LHC selbst ist mit seinen 27 km Umfang nicht nur der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, er setzt auch neue Maßstäbe, was seine Schwerpunktsenergie von 2 × 7 TeV betrifft. Der CMS Detektor selbst ist aus mehreren Teilen aufgebaut. Der in dieser Arbeit hauptsächlich besprochene Teil ist die innere Spurkammer, genannt Tracker. Er hat einen Durchmesser von 2,4 m und eine Länge von 5,4 m. Die in ihm verbauten 15 000 Detektormodule, welche aus mehr als 24 000 Siliziumsensoren bestehen, ergeben eine Siliziumfläche von 206 [m hoch 2], um geladene Teilchen zu detektieren, die bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen. Der Tracker ist starker Strahlenbelastung ausgesetzt und arbeitet in einem 3.8 Tesla starken solenoiden Magnetfeld bei -10 Grad C. Diese Dissertation wurde am Institut für Hochenergiephysik der österreichischen Akademie der Wissenschaften (abgekürzt HEPHY) geschrieben, welches seit mehr als zehn Jahren an der Entwicklung und Konstruktion des CMS Trackers beteiligt ist. Sie behandelt die Qualitätsprüfung der Siliziumsensoren und beschreibt die am Institut durchgeführten Messungen an diesen, welche maßgeblich von mir entwickelt und überwacht wurden. Weiters wird die Datenbank beschrieben, in der diese Messergebnisse gespeichert wurden und die zur Inventarisierung und Logistik der mehr als 200 000 Komponenten des CMS Trackers dient. Ich war nicht nur an ihrem Design beteiligt, sondern habe auch Werkzeuge zur Datenabfrage programmiert. In einem weiteren Kapitel werden die Module für die Endkappen des Trackers (TEC) vorgestellt und Probleme während der Konstruktionsphase diskutiert. Die von mir entwickelten Hilfsmittel zur Überwachung und Steuerung der Modulproduktion werden ebenfalls präsentiert. Nach einem kurzen Überblick über die größeren TEC-Substrukturen (genannt "petals"), werden letztendlich die durchgeführten Tests an einem Teil des gesamten Trackers ("slice test") dargestellt, an denen ich beteiligt war. Der Bau des CMS Trackers war an strenge Auflagen gebunden, was Qualität und Ausführung betrifft. Das lösungsorientierte Arbeiten bei auftretenden Problemen führte dazu, dass schlussendlich viele Erfahrungen gesammelt werden konnten. Um dieses Wissen für mögliche neue Experimente am geplanten International Linear Collider (ILC) zu sichern, wird abschließend auf Probleme des vorliegenden Designs eingegangen sowie potentielle Optimierungen diskutiert.<br />

The CMS (Compact Muon Solenoid) detector is a huge particle physics experiment located at one of the four proton-proton interaction points of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, the European Organization for Nuclear Research (Geneva, Switzerland). With 27 km circumference it is the not only the largest particle accelerator in size, but with a center of mass energy of 2 × 7 TeV it will also set the world record in terms of energy. The inner tracking system of the CMS experiment has a diameter of 2.4 m and a length of 5.4 m and is representing the largest silicon tracker ever built. About 15,000 detector modules consisting of more than 24,000 silicon sensors create a silicon area of 206 [m hoch 2] to detect charged particles from proton collisions. They are placed on a rigid carbon fiber structure in the center of the experiment, and have to operate reliably within a harsh radiation environment and the working conditions of a 3.8 Tesla solenoid magnetic field at -10 degrees C temperature. This thesis was conducted at the Institute of High Energy Physics of the Austrian Academy of Sciences (HEPHY), which has been involved in the design and construction of the CMS Tracker for more than 10 years. It reviews the quality assurance scheme established for testing the silicon sensors and describes the measurements done within this framework, which were developed and supervised mostly by myself. Furthermore, the Tracker Construction Database is presented, which was used to store not only these measurement results, but also helped with the logistics of the approximately 200 000 components of the CMS Tracker. I was involved in its design and developed tools for data retrieval. In the next chapter, the modules for the Tracker End Caps (TEC) are presented and problems during their construction are discussed. The tools which I developed for supervision and production steering are presented. After a short overview about larger TEC substructures called "petals", the tests of a fraction of the whole tracker (called slice test) at CERN - to which I also contributed - are reviewed. The stringent requirements imposed on the quality and performance of the CMS Tracker required the solution of various problems and led to rich experience in semiconductor detectors for high energy physics experiments and its related large-scale quality assurance. To preserve this knowledge for new future detectors at the proposed International Linear Collider (ILC), this thesis concludes with a discussion about conceptual problems in the current design and proposes potential improvements.