Pitters, F. M. (2019). Silicon detector technologies for future particle collider experiments [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2019.36050
Neue Beschleunigerexperimente in der Hochenergiephysik sind meist motiviert von der Suche nach neuen Teilchen sowie Präzisionsmessungen physikalischer Observablen um existierende The- orien auf die Probe zu stellen und neue Physik jenseits des Standardmodells zu entdecken. Diese Suche stellt ständig wachsende Anforderungen an Energie und Luminosität der Kollisionsexper- imente sowie an die Genauigkeit der Detektoren und Messmethoden. Ein solcher Beschleuniger ist der High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), welcher 2026 den Betrieb aufnehmen soll. Im Vergleich zu seinem Vorgänger, dem LHC, wird sich Zahl der Kollisionen pro Umlauf vervierfachen und die Strahlenbelastung an den Detektoren verzehn- fachen. Ein weiterer geplanter Beschleuniger ist der Compact Linear Collider (CLIC), ein Lin- earbeschleuniger für Kollisionen von Elektronen und Positronen bei einer Schwerpunktsenergie von bis zu 3 TeV. CLIC würde sehr präzise Messungen der Eigenschaften des Higgs Teilchens und des Top Quarks erlauben. Außerdem ermöglicht CLIC eine ganze Reihe von hochsensiblen Mes- sungen für Phänomene, die von Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden. Im zugehörigen Detektor sind dazu noch nie zuvor erreichte Auflösungen der Energie hadronischer Jets, des Stoßparameters und des Impulses erforderlich. In den Experimenten beider Beschleuniger spielen Siliziumdetektoren eine entscheidende Rolle. Für CLIC wird ein Vertex Detektor mit 3m Orts- and 5ns Zeitauflösung benötigt. Um den Anforderungen an die Auflösung von Impuls- und Stoßparameter zu genügen, darf eine Detektor- lage gleichzeitig nicht dicker als 0.2% X0 sein. Eine Möglichkeit dies zu erreichen sind sehr dünne Silizium Sensoren von nur 50m Dicke. Vom CLIC Kalorimeter wird eine noch nie erreichte Energieauflösung für hadronische Jets verlangt. Um diese zu erreichen, soll ein hochgranulares, für Particle Flow Algorithmen optimiertes Sampling Kalorimeter zum Einsatz kommen. Siliz- ium Pad Sensoren werden dabei als aktive Deketorelemente benutzt, unter anderem wegen ihres ausgezeichnetem Signal zu Rausch Verhältnisses, ihrer Kompaktheit, Stabilität im Betrieb und der Möglichkeit, sie relativ einfach zu segmentieren. Die CMS Kollaboration hat sich nun dafür entschieden, dasselbe Kalorimeterkonzept auch in ihrem Upgrade für HL-LHC einzusetzen. Für CMS stehen dabei jedoch die Strahlenhärte und Zeitauflösung der Sensoren im Vordergrund. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle von Silizium Detektoren für CLIC und HGCAL. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Eigenschaften von dünnen Siliziumsubstraten, Fragen der Kalibrierung und Charakterisierung im Zusammenhang mit der hohen Granularität sowie der Zeitauflösung dieser Sensoren. Der erste Teil untersucht die Eigenschaften von besonders dünnen Silizium Pixel Detektoren für den CLIC Vertex Detektor. Dabei wird der Timepix3 ASIC genutzt, um verschiedene Eigenschaften dieser Sensoren und deren Ausleseelektronik zu bestimmen. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Methode zur Kalibrierung von nichtlinearen Auslesesystemen mit mehreren zehn- tausend Kanälen pro cm2 entwickelt und durch Labormessungen und Messungen mit Teilchen- strahlen verifiziert. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Zeitauflösung. Der zweiten Teil behandelt die elektrische Charakterisierung großflächiger Silizium Pad Sensoren in hochgranu- laren Kalorimetern für CLIC und HGCAL. Dabei werden Strom und Kapazität über ein System vermessen, das aus einer aktiven Multiplexer Matrix und einer passiven Probekarte besteht, welche den Sensor kontaktiert. Das Design und die Kommissionierung dieses Systems werden besprochen und Resultate von Prototypsensoren für HGCAL gezeigt. Im dritten Teil wird die Zeitauflösung derselben Sensoren in einem Kalorimeter analysiert. Dazu wurde ein Prototyp- sensor mit schneller Elektronik ausgerüstet, um die intrinsische Auflösung des Sensors zu testen. In Messungen von elektromagnetischen Schauern mit einem einzelnen Sensor werden 15ps er- reicht. Schlussendlich werden Implikationen und weitere Herausforderungen für große Systeme analysiert.
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Future collider experiments are typically motivated by the search for new particles and preci- sion measurements of physical observables. The goal is to find deviations from existing theories. In practice, this requires advances towards higher luminosities at higher collision energies, fi- nally resulting in a more difficult experimental environment. At the same time, more precise measurements are required. One such collider is the high luminosity upgrade of the LHC (HL-LHC), that is planned to start operation in 2026. Compared to LHC, the number of simultaneous collisions (pile-up) will increase by roughly a factor four and the radiation exposure of the detectors will be an order of magnitude larger than for LHC. Another proposed collider is the Compact Linear Collider (CLIC) that would provide electron- positron collisions at a centre-of-mass energy of up to 3TeV. As the collision partners are fun- damental particles, the initial state and energy are well known. This allows for precision meas- urements of Higgs and Top quark observables, including a wide variety of measurements that are particularly sensitive to physics beyond the standard model. Here, the detector is required to deliver an unprecedented precision on the measurement of jet energy, impact parameter and particle momentum. For both colliders and their associated experiments, silicon detectors play an essential role in meeting the detection requirements. For CLIC, the desired momentum resolution together with the flavour tagging performance will require a vertex detector with a spatial resolution of around 3 m and a time resolution better than 5 ns, all at a material budget of only 0.2% X0 per layer. This can be achieved by using thin silicon pixel sensors of around 50 m thickness. The design of the CLIC calorimeter is driven by the need of an unprecedented jet energy resolution. To achieve this, CLIC will employ a highly granular sampling calorimeter optimised for Particle Flow techniques. Silicon pad sensors will be used as active material in the electromagnetic calorimeter due to their compactness, operational stability, excellent signal-to-noise ratio and good segmentation properties. More recently, the CMS collaboration has decided to adopt a similar concept in the upgrade of their endcap calorimeters for the HL-LHC phase, a project commonly called HGCAL. Here, the reasoning to use silicon as active calorimeter material is however broader. It is additionally driven by the need for radiation hardness and precise time stamping for pile-up mitigation. In this work, the role of silicon detectors in the CLIC vertex detector as well as the calorimeters for CLIC and HGCAL, is explored. The focus is put on the performance of thin detector substrates, issues of characterisation and calibration in connection with the high granularity, as well as the possible time resolution that can be reached. The first part explores the performance of thin silicon pixel detectors that are considered for the CLIC vertex detector. The Timepix3 ASIC is used as a test vehicle to study several aspects of thin silicon pixel sensors and to determine the specifications for the CLIC frontend electronics. A calibration method suited for a channel density of O(104/cm2) and addressing time-over- threshold and time-of-arrival readouts with a non-linear behaviour is investigated. Laboratory measurements and beam test results are presented and a special focus is put on the time resolution of ASIC and sensor. The second part covers the electrical characterisation of large area silicon pad sensors for fine-grained calorimeters. It describes the design and commissioning of a system for testing the voltage dependence of electrical current and capacitance of each pad. The system consists of an active multiplexer matrix and a passive probe card that handles only the contacts to the sensor. Results for a wide range of prototype silicon pad sensors are presented. The third part focusses on the sub-nanosecond timing capabilities the same sensors have when operated in a calorimeter environment. A prototype sensor is equipped with a dedicated readout and used to sample electromagnetic showers. It is shown that, on a module level, time resolutions of less than 15 ps can be achieved. Finally, the outlook on the time resolutions achievable at the system level is discussed.