Op een speciale, stofvrij, schoon laboratorium, over de Zwitsers-Franse grens, een groep natuurkundigen besteedt hun tijd aan het onderzoeken van handgrote zeshoeken van silicium. Deze zeshoeken zijn een fractie van een millimeter dik en bestaan ​​uit meer dan honderd kleinere zeshoeken, afzonderlijke sensoren van elk ongeveer een centimeter breed. Samen met lagen metaal, de sensoren zullen een nieuwe subdetector vormen om een ​​deel van de end-cap calorimeters in het CMS-experiment van CERN te vervangen.

Een calorimeter meet de energie die een deeltje verliest als het er doorheen gaat. Het is meestal ontworpen om de meeste deeltjes afkomstig van een botsing volledig te stoppen of te "absorberen". De nieuwe calorimetersensoren zullen worden gebruikt om de energie en aankomsttijd te meten en om het pad te volgen van individuele deeltjes die in de vorm van puin uit het botsingspunt in het midden van het experiment vliegen. Eenmaal op zijn plaats, het zal de eerste keer zijn dat dit type siliciumsensor ooit op zo'n grote schaal wordt gebruikt in de calorimeter van een deeltjesdetector.

De sensoren maken deel uit van een breder upgradeproject om ervoor te zorgen dat de experimenten een groter aantal deeltjesbotsingen aankunnen als gevolg van de High-Luminosity LHC (HL-LHC) upgrade in 2025, en het daarmee gepaard gaande verhoogde ontdekkingspotentieel. De huidige technologie is gebaseerd op lange, heldere loodwolframaatkristallen ontworpen om de straling in de detectoren te weerstaan. Hoewel ze prima zullen werken voor het LHC-tijdperk, tot 2025, de hoeveelheid straling die tijdens HL-LHC wordt verwacht, zal de kristallen donkerder maken totdat ze blind worden voor deeltjes die er doorheen gaan.

"De loodwolframaatkristallen die we nu gebruiken, zijn ontworpen om te werken met vergelijkbaar lage botsingssnelheden en in een omgeving met weinig straling. Met de HL-LHC kunnen we zullen honderden botsingen tegelijk hebben, dus we hadden iets nodig dat bestand was tegen de toegenomen straling en regenbuien oplost van deeltjes die heel dicht bij elkaar liggen in ruimte en tijd, " legt Eva Sicking uit, de toegepaste fysicus die dit siliciumsensorproject leidt. "We willen de verschillende deeltjes die we zien kunnen onderscheiden, en weet ook welke van welke botsingen afkomstig zijn."

"Deze sensoren zorgen niet alleen voor een systeem dat stralingsharder is, maar geven tegelijkertijd ook meer informatie over waar de deeltjes precies doorheen zijn gegaan. Ze geven ons ook zeer goede timinginformatie, zodat we precies kunnen bepalen wanneer dit deeltje arriveerde, en dankzij de kleine cellen kan het dat voor veel botsingen tegelijk doen, " vervolgt Andreas Maier, die ook aan het project werkt.

Metalen Broodjes

Om ervoor te zorgen dat de sensoren dit kunnen, in plaats van lange kristallen, het team gaat weg van lange kristallen en bouwt in plaats daarvan sandwiches - lagen van de sensor afgewisseld met lagen van een zwaar metaal, zoals lood.

Om elke sensor in de sandwich te testen, het team gebruikt een speciaal sondestation, met acht naalden die boven een vacuümplaat zitten. Het bord houdt de delicate, en duur, siliconensensoren stevig op hun plaats, zodat de naalden kunnen worden gemanoeuvreerd en neergelaten om verbinding te maken met contactpads die op elke sensor zijn gemarkeerd. Vervolgens zetten ze een hoge spanning op de sensor om de gegevens te registreren die zullen worden gebruikt om de kwaliteit van de sensor te beoordelen.

Gevoelige instrumenten vertellen het team wat de elektrische stroom is die in de sensor wordt gegenereerd, evenals een maatregel die capaciteit wordt genoemd. Als een van deze boven een bepaald niveau uitkomt, de sensor kan niet worden gebruikt, omdat het ruis zal veroorzaken die de gegevens van deeltjessporen verstoort. Als het geluid te hoog is, de onderzoekers kunnen beoordelen of er een probleem is op productieniveau. Als er een probleem wordt gevonden, ze gaan terug naar de fabrikanten om ervoor te zorgen dat het gladgestreken is voordat de echte sensoren in productie gaan. Alle uiteindelijk gebruikte sensoren zullen dit proces doorlopen, hetzij bij CERN, hetzij bij andere instituten.

Vermogen optimaliseren

Het meten van stroom is vooral belangrijk omdat het van invloed kan zijn op hoeveel vermogen en energie nodig is wanneer de machine draait.

"In een ideale wereld, de sensor zou geen lekstroom vertonen, maar in werkelijkheid, Bij de productie van deze sensoren komen onzuiverheden vrij. Daarom, de stroom die we meten is een indicator van de productiekwaliteit, "Florian Pitters, een ander lid van de groep, verklaart.

Lekstroom is acceptabel onder een bepaald niveau, maar het wordt versterkt als je meer sensoren bij elkaar optelt en de voeding en het koelsysteem te maken krijgen met een grotere hoeveelheid stroom en afgevoerde warmte.

Als er een probleem is met de laatste sensoren, het zou de hele tegel kunnen kortsluiten, het onbruikbaar maken. Deze tests zijn dus essentieel om ervoor te zorgen dat het hele detectorsysteem op zijn best werkt en dat deze componenten geen belemmeringen vormen voor toekomstige ontdekking.

"Er zijn fouten gemaakt met dingen die mensen gewoon niet konden weten, totdat we ze hebben getest. We hebben een paar keer ontdekt dat wegen die we wilden gaan gewoon moesten worden opgegeven, dus kozen we een nieuwe weg. Zo gaat onderzoek, " zegt Andreas.