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Detektor des CMS-Experiments

Jungbrunnen für Teilchendetektoren

Schwerer als der Eiffelturm sind die haushohen Detektoren des Teilchenbeschleunigers LHC am CERN in Genf. Sie suchen seit Jahren nach Elementarteilchen wie dem Higgs-Boson. Bei dieser Arbeit altern die Detektoren. Physiker der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und des CERN arbeiten daran, die Detektoren jung zu halten.

ÖAW Young Science 09.08.2013

In einem Gastbeitrag beschreibt der Physiker Wolfgang Treberspurg vom Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der ÖAW, wie das Altern der Detektoren verlangsamt werden soll.

Teilchendetektoren und das Problem des Alterns

Von Wolfgang Treberspurg

Porträt Wolfgang Treberspurg

Treberspurg

Zur Person:
Wolfgang Treberspurg (geb. 1985) hat technische Physik an der TU Wien und Philosophie an der Uni Wien studiert. Er arbeitet für sein Doktorat an der Entwicklung strahlenharter Detektoren für zukünftige Experimente an Teilchenbeschleunigern am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Um elementare Teilchen wie z.B das lang gesuchte Higgs-Boson nachweisen zu können, werden im Teilchenbeschleuniger LHC am CERN Protonen kontrolliert zur Kollision gebracht. Die dabei entstehenden Teilchen können nur mit großen Experimenten, bestehend aus verschiedenen Detektorelementen, nachgewiesen werden.

Sobald allerdings Teilchen den Detektor durchqueren, erzeugen sie nicht nur ein Signal, sondern tragen auch zur Alterung des Detektors bei. Wir untersuchen diesen natürlichen Alterungsprozess, um ihm entgegenzuwirken und robustere Detektoren zu entwickeln.

Mit Lichtgeschwindigkeit in den Ring

Der "Large Hadron Collider" (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf beschleunigt Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Die Protonen befinden sich in einzelnen Paketen, welche an vier Punkten innerhalb des 27 Kilometer langen Ringbeschleunigers fokussiert und zur Kollision gebracht werden.

Da nach Einsteins berühmter Formel Energie in Masse umgewandelt werden kann (E=mc2), wird im Kollisionspunkt eine Vielfalt von Teilchen erzeugt und in alle Richtungen gestreut.

Schema und Foto eines Detektors.

Treberspurg

Schematische Darstellung des CMS-Experiments (links), Aufnahme der schalenartig angeordneten Sensoren innerhalb des Trackers (rechts).

Entwicklung von Sensoren
Wenn nach zehn Betriebsjahren die Detektoren des CMS-Trackers aufgrund von Alterungseffekten getauscht werden müssen, ersetzt man sie nicht durch Sensoren derselben Bauart. Die Randbedingungen der Experimente ändern sich derart, dass ein höherer Teilchenfluss erwartet wird und Nachfolgemodelle wesentlich robuster sein müssen.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelt eine Arbeitsgruppe am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam mit der Firma Infineon Technologies AG eine neue Generation von Sensoren. Erst kürzlich wurde die erste Produktionsreihe im Villacher Werk von Infineon abgeschlossen. Diese Sensoren konnten bereits elektrisch vermessen und mit einem Teilchenstrahl am CERN auf ihre Eigenschaften im Betrieb getestet werden.

Halbleiter-Waffeln: Design und fertiges Produkt.

Treberspurg

Das am HEPHY erstellte Design (links) und der einer der produzierten Silizium Scheibe(rechts).

Es ist eine große Herausforderung, die Bahnen und Parameter der entstehenden Teilchen aufzuzeichnen. Dazu ist an einer Stelle des Beschleunigers das CMS-Experiment (´"Compact Muon Solenoid") angebracht, ein Bauteil mit den imposanten Ausmaßen von 21 Metern Länge, 15 Metern Höhe und einem Gewicht von rund 12.500 Tonnen, also schwerer als der Eiffelturm. Sein innerster Teil, sozusagen das Herzstück des Experiments, ist der Spurdetektor oder "Tracker".

Die Aufgabe des Trackers ist es, die Spuren der produzierten und teils sehr kurzlebigen Teilchen zu rekonstruieren. Da diese in nächster Nähe zum Kollisionspunkt sehr eng beisammen liegen und sich pro Sekunde etwa 800 Millionen Kollisionen ereignen, müssen hier ausgesprochen schnelle Sensoren mit einer guten Auflösung eingesetzt werden. Nur Silizium-Halbleiterdetektoren kommen dafür in Frage.

Ähnlich einer Digitalkamera, die mit fingernagelgroßen Sensoren ausgestattet ist und ein zweidimensionales Bild erzeugt, werden hier rund 25.000 Sensoren schalenartig angeordnet, um ein Bild in drei Dimensionen aufzunehmen. Diese Sensoren decken eine Fläche von 200 Quadratmetern ab, womit der CMS-Tracker das bisher größte wissenschaftliche Gerät ist, das mit Halbleitertechnologie arbeitet.

Schema zum Cern-Experiment

Treberspurg

Rekonstruktion der Teilchenbahnen (gelb) eines Higgs-Events, aufgenommen mit dem CMS-Tracker.

Teilchen-Bowling im Detektor

Silizium-Halbleiterdetektoren werden allerdings nicht nur in der Teilchenphysik verwendet. Auch wenn ihre Entwicklung durch diese vorangetrieben wurde, kommen sie in ähnlicher Form z.B. im medizinischen Bereich zum Einsatz. Ihre Funktionsweise ist schnell erklärt: An der Vorder- und Rückseite des mehrere Quadratzentimeter großen Sensors wird eine elektrische Spannung von einigen Hundert Volt angelegt, wodurch Elektronen, die sich frei im Silizium bewegen, abgesaugt werden.

Durchquert nun ein geladenes Teilchen den Sensor, so stößt es gebundene Elektronen aus ihrer Position, wodurch wiederum freie Elektronen und zugehörige bewegliche Leerstellen, sogenannte Löcher entstehen. Elektronen und Löcher driften dann zu der jeweiligen Seite und erzeugen an einer bestimmten Position ein Signal.

ÖAW Young Science:

Der Text ist Teil des Projektes Young Science, im Zuge dessen Gastbeiträge von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erscheinen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen Ö1/science.ORF.at und der Akademie der Wissenschaften.

Funktionsweise des Detektors

Treberspurg

Veranschaulichung des Funktionsprinzips eines Siliziumdetektors

Dieser Vorgang kann aber auch irreversible Folgen haben. Im Gitter des Siliziumkristalls sind die Atome in einer bestimmten Struktur angeordnet. Passierende Teilchen können dabei nicht nur Elektronen und Löcher erzeugen, sondern auch mit einzelnen Atomen zusammenstoßen.

Es ist wie bei einem Bowlingspiel: Wenn man sich die Siliziumatome als Kegel mit großen Abständen und die zu vermessenden Teilchen als Kugeln vorstellt. In vielen Fällen rollt die Kugel einfach zwischen den Kegeln durch. Ist die Kugel nicht besonders schnell, kann es passieren, dass sie mit Kegeln zusammenstößt und ihre Bahn ändert, ohne sie umzuwerfen. Ist sie aber schnell genug, so wird nach einem Zusammenstoß ein Kegel nicht nur umfallen, sondern auch mehrere andere mitnehmen.

Für den Sensor bedeutet das, dass er um so mehr altert, je mehr Gitteratome aus ihren Positionen geschleudert werden. Dies macht sich im elektronischen Auslesesystem der Detektoren durch höheres Rauschen und ein geringeres Signal bemerkbar.

Siliziummodul

Treberspurg

Eines der 15.148 Silizium-Sensor-Module des CMS Trackers

Strahlenschäden im Detektor

Leider findet diese Alterung auch im aktuellen CMS-Tracker statt. Je mehr Teilchen ihn durchdringen, desto schwächer wird das aufgenommene Signal. Nach vielen Einsatzjahren muss er erneuert werden. Bis dahin ist es wichtig, die Betriebsparameter entsprechend anzupassen. Gemeinsam mit internationalen Kollegen arbeiten wir deswegen daran, den Dunkelstrom der Detektoren, der den größten Anteil des Rauschens ausmacht, für jedes der mehr als 15.000 Module einzeln zu ermitteln.

Nimmt man einen möglichen Temperaturverlauf und eine Anzahl von Teilchen, die den Sensor durchqueren werden, an, so können Vorhersagen über die Lebensdauer des Trackers gemacht werden. Die Gültigkeit der Vorhersage lässt sich im Nachhinein leicht ermitteln.

Grafische Darstellung der Simulationen

Treberspurg

Zeitliche Verlauf des Dunkelstroms einzelner Module aus den vier Tracker-Sektionen. Die durchgezogene Linie stellt die Simulation dar, die einzelnen Punkte die Messung.

Das zugrunde liegende Modell funktioniert aber nicht an allen Stellen des Detektors, an denen unterschiedliche Temperaturen herrschen und eine unterschiedliche Menge von durchdringenden Teilchen vorliegt, gleich gut. Anhand des Verlaufs des Dunkelstroms in verschiedenen Modulen des Detektors kann man leicht sehen, dass die Vorhersagen für die verschiedenen Teile unterschiedlich gut zutreffen. Das Modell muss also verbessert werden.

Außerdem sind die verschiedenen Perioden des LHC-Betriebs zu unterscheiden. In den Wintermonaten wird das Experiment wegen des hohen Strompreises und aufgrund von Wartungsarbeiten abgeschaltet. Der Dunkelstrom bleibt währenddessen konstant oder sinkt. Nach dem Einschalten im Frühjahr folgen Phasen mit vielen Kollisionen in denen der Strom ansteigt.

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