Performance studies on silicon strip sensors with 50 µm pitch

Abstract

Aktuelle Experimente der Hochenergiephysik verwenden bereits heutzutage ausgefeilte Technologien, die erlauben die Struktur und Kinematik von Teilchenkollisionen präzise zu rekonstruieren und daraus Schlüsse über den Aufbau der Materie zu ziehen. Zukünftige Experimente, wie der ILC oder ein Upgrade des LHC, werden die Anforderungen an Detektorsysteme, bezüglich Präzision, Geschwindigkeit und Reduktion des verwendeten Materials weiter steigern. Nach einem kurzen Überblick über das Konzept des LHC und des CMS Experiments beschäftigt sich diese Diplomarbeit mit den Eigenschaften von Silizium Streifen Sensoren, die ein integraler Bestandteil vieler Hochenergiephysik Experimente sind. Die Streifengeometrie solcher Sensoren hat einen wesentlichen Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit und bestimmt zu einem großen Teil die erzielbare Ortsauflösung. Eine Verbesserung der Ortsauflösung erlaubt präzisere Vertexrekonstruktion und eine genauere Messung des transversalen Impulses von hochenergetischen Teilchen. Um eine möglichst große Auswahl an Sensorgeometrien auf einmal zu testen, wurde ein spezieller Multigeometriesensor an unserem Institut entwickelt. Dieser wurde im Juni 2008 am SPS mit 120 GeV Pionen getestet. Die 16 Zonen des Sensors unterscheiden sich im Verhältnis von Streifenbreite zu Streifenabstand und in der Zahl der Zwischenstreifen die zwischen den Auslesestreifen platziert sind. Ziel der Datenanalyse ist es, die Eigenschaften der Zonen in Bezug auf den Einfallswinkel und die angelegte Sperrspannung zu quantifizieren. Desweiteren wurden die erreichbaren Auflösungen aller Sensor-Zonen aus den Messdaten geschätzt.<br />Außerdem wurden die selben Daten mit künstlichem Rauschen überlagert um dessen Einfluss auf die Ortsauflösung zu studieren. Von besonderem Interesse war die Analyse der Verteilungen von Clusterbreiten bei verschiedenen Einfallswinkeln der Teilchen. Diese Verteilungen erlauben Schlussfolgerungen über die Realisierbarkeit und Effizienz von pT -Trigger Modulen. Solche Module könnten eine wichtige Komponente eines zukünftigen CMS Upgrades darstellen, welches eine Erweiterung des bestehenden First-Level Trigger Systems erfordert. Das Konzept sieht vor, nur die Clusterbreite zu nutzen um auf den Einfallswinkel eines Teilchens zu schließen. Dieser Einfallswinkel steht in direkter Beziehung zum transversalen Impuls des Teilchens. Eine Selektion kleiner Clusterbreiten würde daher direkt zu einer Selektion von Teilchen mit hohem transversalem Impuls führen. Da die Bestimmung der Clusterbreite direkt auf Modulebene erfolgen kann wird kein Informationsaustausch zwischen den Modulen benötigt. Verglichen zur momentanen Verwendung von Tracker Informationen zur Teilchenselektion, die nur im High-Level Trigger möglich ist und Spurrekonstruktion benötigt, also weit über den Tracker verstreute Information kombinieren muss, könnte diese Methode sehr schnell arbeiten und wäre daher als First-Level Trigger brauchbar.<br />

Today's experiments in high energy physics already use sophisticated detector technologies that allow a precise reconstruction of the structure and kinematics of particle collision and thereby to draw conclusions about the constitution of matter. Future colliding beam experiments like ILC or upgrades of LHC will increase the demands on all detector systems concerning precision, speed and material budget. After a review of the LHC and the CMS concept, this diploma thesis aims to quantify the properties of fine pitched silicon strip detectors, which are an integral part of many high energy physics experiments.<br />Particularly the strip geometry has a big effect on the sensor's performance and mainly determines the spatial resolution. An improvement of the spatial resolution allows preciser vertex reconstruction and a better resolution of the measurement of the particle's transverse momentum.<br />In order to investigate a variety of strip geometries at once, a multi-geometry sensor was designed at our institute. It was tested with 120 GeV pions at a SPS beam line in June 2008. The sensor's 16 zones vary in strip width to pitch ratio and the number of intermediate strips between read-out strips. The data analysis, which is the main topic of this work, aimed to quantify the zone properties with respect to the particle incidence angle and the bias voltage.<br />Furthermore the achievable resolutions for all sensor zones were estimated from test beam data. The data was also used for a simulation of additional noise what allows to study the influence of noise on the resolution. A matter of particular interest is the investigation of cluster width distributions at different incidence angles. They allow to draw conclusions about the feasibility and the efficiency of pT -trigger modules. Such trigger modules could be an important component of a future CMS upgrade, which will demand an extension of the current first level trigger. The concept of such trigger modules intends to use only the cluster width to infer the particle's incidence angle, which is directly related to the particle's transverse momentum.<br />A restriction on small cluster widths therefore directly leads to a rejection of particles with a small transverse momentum pT . Since the cluster width can be determined on module level this method doesn't require long-range communication between modules. Compared to the current usage of the tracker by the high level trigger (HLT), which requires track reconstruction, thus the combination of information gathered far apart, this method method could be very fast and suitable for the first level trigger.