J.M. Heuser et al. CBM Silizium-Spur- und Vertexdetektor 1

Ein Silizium-Detektorsystem zur Ein Silizium-Detektorsystem zur Spur- und Vertexmessung Spur- und Vertexmessung

im CBM-Experiment bei FAIRim CBM-Experiment bei FAIR

Johann M. Heuser, GSI Darmstadtfür die CBM-Kollaboration DPG-Tagung Physik der Hadronen und Kerne, München, 20.-24. März 2006

Das "Compressed Baryonic Matter"-Experiment

Das "Silicon Tracking System"KonzeptDetektorentwicklungDesign-Studien

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GSI heuteGSI heute

FAIR - FAIR - FFacility foracility for AAntiproton and ntiproton and IIon on RResearchesearch

100 m

UNILAC SIS 18

SchwerIonen-Synchrotrons SIS 100/300

Umfang: 1100 m

Kerne: bis zu U, 45 AGeVp: bis zu 90 GeV

HESR

SuperFRS

NESR

CRRESR

ESR

FLAIR

CBM

zukünftige Anlagezukünftige Anlage

Projekt-Management: Baubeginn: 2007/2008Erste Strahlen: 2011Vollbetrieb, CBM: 2015

CCompressed ompressed BBaryonic aryonic MMatter atter ExperimentExperiment

Untersuchung stark wechselwirkender Materie bei hohen Baryonendichten.

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CBM Physik & ObservableCBM Physik & Observable

Herausforderung: Spur- und VertexmessungHerausforderung: Spur- und Vertexmessung bis zu 107 Au+Au Reaktionen/s @ 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

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!

URQMDAu+AU 25 GeV/Nukleon

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Spur-, Impuls- und Vertex-Messung: Exklusiv mit dem Silicon Tracking System

Elektronen ID: RICH & TRD (& ECAL)

Hadronen ID: TOF (& RICH)

Photonen, 0, : ECAL

Hohe Interaktionsraten

Ausschließlich "High-level Triggers"

Schnelle, selbst- getriggerte Auslese

Strahl

Target

STSSTS(5 - 100 cm)(5 - 100 cm)

TRDs(4,6, 8 m)

TOF(10 m)

ECAL(12 m)

Dipol- magnet

CBM-Experiment - KonzeptCBM-Experiment - Konzept

Weitere spezifische Aufbauten, z.B. Myon-Option, werden studiert.

RICH

Vortrag HK 33.7, Mi. 15:45 Raum D

C. Höhne et al., Das Compressed Baryonic Matter

(CBM) Experiment bei FAIR

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Silizium-Spur- und VertexdetektorSilizium-Spur- und Vertexdetektor

vacuum

1

7

3

4

Vertex-messung

Spurmessung

2

5

6

Pixeldetektoren

Mikrostreifendetektoren

z = 5,10,(20) cm

z = (20),40,60,80,100 cm

Detektorkonzept: Spur- and Vertexmessung in ausgezeichneten Zonen.

Ad-hoc Annahmen zu Detektortechnologien und Anzahl der Stationen.

Akzeptanz: 50 - 500 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

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Spurmessung: Anforderung:

• Au+Au @ 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: Anforderung:

• 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.

Anforderungen an die DetektorenAnforderungen an die Detektoren

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Detektoren: SpurmessungDetektoren: SpurmessungMikrostreifendetektoren 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". Konstruktionvon 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".

F&E begonnen

In Simulationen

berücksichtigt!Interesse an Entwicklungen

für PANDA!

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Mikrostreifen - DetektorentwicklungMikrostreifen - DetektorentwicklungSensor: dünn (< 300 µm), doppel- (ein?-)seitig segmentiert, kleiner Streifenabstand (50 µm), Stereowinkel: ~15 deg strahlungshart > 1014 neq cm-2

F&E GSI-Moskau State Univ.:Produktion und Tests von Silizium Streifensensor-Prototypen für CBM

Andere Ansätze: Tests von Sensoren anderer Experimente. Kommerzielle Produkte.

Ausleseelektronik:

DETectors for Neutron Imaging, @ ESS http://jra1.neutron-eu.net/jra1

entwickelt u.a. einen bildgebenden Silizium-Streifensensor mit n-Konverter, incl. neuartigen schnellen und selbst-triggernden Auslesechips: N-XYTER

Alternative:

CBM-GSI plant mit dem DETNI-Konsortium zusammenzuarbeiten:

F&E GSI-MSU/MEPHI:Bausteine für einen selbst-getriggerten CBM Streifen Auslesechip.

Sehr nahe an CBM-Anforderungen! Produktion im Frühjahr 2006.

Plan: Test und Anpassung dieses Chips

an CBM. Konstruktion eines CBM

Demonstrator Detektormoduls.

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Herausforderung: VertexmessungHerausforderung: Vertexmessung Rekonstruktion von Open CharmRekonstruktion von Open Charm

GeV3%18.0

0

mm5021 μm;10

0

MeV14

21

pX

x

dx

X

x

pdx

Einige hadronische Zerfälle:

D (c = 317 m):D+ K-++ (9 0.6%)

D0 (c = 124.4 m):D0 K-+ (3.9 0.09%)

Sensoren hoher Granularität. Dünne Detektorstationen.

Seltene Proben: Hohe Kollisionsraten. "High level charm trigger".

D0→K-+

Target

primäre Spurenc

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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: 25 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.

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?

Detektoranforderungen zur "Open Charm" Messung:

Pixeldetektoren zur VertexmessungPixeldetektoren zur Vertexmessung

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Herausforderung: SpurrekonstruktionHerausforderung: Spurrekonstruktion

MAPS MAPS pile-up pile-up

(events)(events)00 55 1010 2020 5050 100100

Spur- Spur- KategorieKategorie Effizienz (%)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 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Ghost 2.47 3.59 4.55 6.53 9.85 13.33

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-Auslese mit 10 überlagerten Ereignissen

I. Kisel, Heidelberg, and S. Gorbunov, DESY

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Vom Konzept zum DetektorsystemVom Konzept zum DetektorsystemOptimierungsstudien, "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.

MAPS

StreifendetektorenHybride Pixel?

Schnelle & effiziente Spurmessung.

Spurrekonstruktion mit hoher Auflösung und großer Winkelabdeckung.

Ultimative Vertex-auflösung.

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7 8 Stationen

+ Weniger "Ghosts".

+ Robuster gegen Ineffizienzen.

+ Weniger "Ghosts".

+ Robuster gegen Ineffizienzen.

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%

7 9 Stationen, Rekonstruktion

Geometry D0 Reko.

Eff. (%)

SV Aufl. (µm)

D0 Massen- aufl. (MeV)

ΔP/P D0 pro 1012 MB Kollisionen

2 MAPS1 Hybrid, 4 Strips

7.0 53 11 0.94 106 k

MAPS 2525 µm2, 150 µm Si; Hybride Pixel 5050 µm2, 750 µm Si; Strips, 50 µm, 400 µm Si

+ Robuster + Schneller.

- Schlechtere Impulsauflösung. - mehr "Ghosts"

+ Robuster + Schneller.

- Schlechtere Impulsauflösung. - mehr "Ghosts"

7 Stationen, D0 Rekonstruktion Einige Interim-ErgebnisseEinige Interim-Ergebnisse

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Streifendetektor – Module & StationenStreifendetektor – Module & Stationen

Sensorelemente: Silizium 200 m dick.Doppelseitig, strahlungs-tolerant. 50 m (ursprünglich 25 m) Streifenabstand.

Innen : 6x4 cm Mitte : Mitte : 6x12 cm6x12 cmAußen : 6X20 cmUntersuchung von: Streifenlänge, Abstand, Stereowinkel

(Minimisierung der Kombinatorik) Mechanik, Position der Ausleseelektronik?

(auf den Sensoren / außerhalb der Akeptanz)

siehe CBM Technical Status Report 2005

Vier Detektorstationen:kleine Zahl von Wafer-Typen. Streifenlänge abhängig von Spurdichte.

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Alternatives Design in Alternatives Design in der CBM Simulationder CBM Simulation

- 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

Auslese & Kühlung

Prinzip eines Detektormoduls

Sensoren

Auslese

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ZusammenfassungZusammenfassungCBM – 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.

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Weitere STS-relevante Weitere STS-relevante CBM-PrCBM-Prääsentationensentationen

C. Höhne et al., HK 33.7 Mi 15:45 DDas 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 21.41 Di 15:30 PSpur-Rekonstruktion im CBM-Experiment

I. Vassiliev et al., HK Di 21.40 POpen charm measurements with the CBM detector

S. Amar-Youcef et al., HK 21.79 Di 15:30 PStrahlenhärte von Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) im Kontext des CBM-Experiments

T. Galatyuk et al., HK 12.10 Di 15:30 PStrategies for electron pair reconstruction in CBM