Quel détecteur de vertex pour le prochain collisionneur linéaire ?

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1 Quel détecteur de vertex pour le prochain collisionneur linéaire ?
Auguste Besson IReS/LEPSI : M. Deveaux, A. Gay, G. Gaycken, Y. Gornushkin, D. Grandjean, S. Heini, A. Himmi, Ch. Hu, K.Jaaskelainen, H. Souffi-Kebbati, I. Valin, M. Winter, G. Claus, C. Colledani, G. Deptuch, W. Dulinski (M6/M8 DAPNIA: Y. Degerli, N. Fourches, P. Lutz, F.Orsini) Contexte Le collisionneur linéaire Le programme de physique Performances requises Capteurs CMOS Principes Performances 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

2 Pourquoi un collisionneur linéaire ?
Le LC sera mis en service probablement après les découvertes majeures du LHC Flexibilité Modulation de l’énergie (GigaZ, 2 Mtop, MZ+MH, seuils en SUSY, etc.) Collisions e+e-, e-, , e-e-, eN Polarisations des faisceaux Précision État initial connu Énergie connue (~ 10-4–10-5 ) Interaction électrofaible Taille des Faisceaux réduite  étiquetage des saveurs (b,c,) Rapports S/B favorables Luminosité bien connue (~ 10-2–10-4 ) Haute luminosité (~1000 fb-1) Détecteurs de hautes précisions Mesures de hautes précisions qui Complètent les résultats du LHC 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

3 Le prochain collisionneur linéaire
3 projets : (~ GeV) NLC (Next Linear Collider) JLC TESLA (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator) Technologie froide Laser à électrons libres (X-FEL) + Compact Linear Collider (CLIC) ~ 5 TeV Plus long terme (2025) DESY SLAC KEK Technologie chaude CERN ? Début des travaux de développement Choix de la technologie Début de la Construction Premières collisions 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

4 A.Besson, Séminaire LPSC
Technologie supra. Avantages: Champs de sillage + faible (cavités basse fréquence + grandes) Charge plus elevée Efficacité du transfert de puissance entre le champ radio-fréquence et le faisceau Consommation électrique (~100MW) pour une puissance par faisceau de 10 MW Cavités Niobium, helium superfluide a 2K. Fréq. + faible (= 1.3 GHz) Gradient = 23.4 MV/m Facteur de qualité Q (inverse de la puissance perdue par cycle) 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

5 Structure du faisceau @ 500 GeV
5 Hz 2820 paquets 2820 paquets ms 950 s 950 s Trains de ~1ms 2820 paquets / train 337 ns entre paquets 200 ms entre chaque train Données stockées en Front-end Selection software pendant les 200ms Pas de trigger ! (ni temps mort) Conditionne les détecteurs 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

6 TESLA : Paramètres de la machine
Unite TESLA-500 TESLA-800 Gradient accélérateur MV/m 23.4 35 Radio-fréquence GHz 1.3 Facteur de remplissage 0.747 0.79 Longueur totale du site km 33 # de structures accélératrices 21024 # de klystrons 584 1240 Puiss. au pic des klystrons MW 9.5 Taux de répétition Hz 5 4 Longueur du pulse faisceau s 950 860 Longueur du pulse RF 1370 # de paquets / pulse 2820 4886 Espacement des paquets ns 337 176 Charge / paquets (Ne) 1010 2 1.4 Emittance à l’IP (x,y) 10-6 m 10 / 0.03 8 / 0.015 Beta à l’IP (x,y) mm 15 / 0.4 Taille du faisceau à l’IP (x* / y*) nm 553 / 5 391 / 2.8 Longueur du paquet à l’IP (z) 0.3 Beamstrahlung (E) % 3.2 4.3 Luminosité 1034cm-2s-1 3.4 5.8 Puissance par faisceau 11.3 17 Puissance électrique primaire des 2 faisceaux 97 ~150 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

7 Programme de physique Questions clefs: Mesures de précision
Mesures de précision du Modèle Standard Nouvelle physique Origine de la brisure de symétrie électrofaible et des masses Caractérisation du secteur de Higgs Mesures de précision mtop ~  MeV/c2 mW ~  5 MeV/c2 GigaZ  sin2Weff / sin2Weff  0.01 % Mesures Indirectes: MH/ MH ~ 5 % Susy:  √s < LHC.  Seuils/Balayages possibles LHC: squarks/gluinos ; LC: sleptons et Jauginos. Type de brisure SUSY ? Détermination précise : masses, spin, Br, phases, etc. Technicouleur, Z’, etc. Fonctionnement simultané LHC/LC 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

8 Programme de physique (2)
Higgs. Masse Largeur ~ qqs % section efficace ~ 1 % gHHH ~ %  gHHH = 6√2  Potentiel Higgs.    H Couplage de Yukawa: (H-f-fbar) t-tbar-Higgs. (ttbar-H)~ 1-3 fb (115 ≤ mH ≤ 200) Etat final : jusqu’à 10 partons yHttbar / yHttbar ~ 5-10 % 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

9 A.Besson, Séminaire LPSC
Sections efficaces 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

10 A.Besson, Séminaire LPSC
Le détecteur TESLA Un seul mot d’ordre : une précision inegalée Champ 4 T. Herméticité Trajectographe Central (1/pt) ≤5x10-5 (GeV/c)-1 Granularité Jet Energy Flow. CMS 39M pixels 76x103 0.30 X0 1.7% X0 TESLA 800M pixels 32x106 0.05 X0 0.1% X0 Vertex Ecal Tracker Vertex /couche Granularité Budget de matière 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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Le détecteur de vertex Identification b, c, ± Haute résolution sur le paramètre d’impact Efficacité de détection  99 % Résolution IP IP ≤ 5 m  10 m.GeV / (p sin3/2) Diffusion multiple <0.1% X0 / couche Couches minces ~ 50 m de Si 5 couches (R1=1.5 cm; R5 = 6 cm) Grande granularité (multiplicité élevée) Pas des pixels ~20x20 m2 800 M pixels (CCD) Grande occupation (beamstrahlung) Lecture rapide (25-50 s) Sparsification des données en ligne Radiations neutron5·109 n(1 MeV)/cm2/5 years Ray. ionisation= 500 kRad/5 ans Puiss. Dissipée Refroidissement ? La technologie choisie doit combiner granularité, faible épaisseur, vitesse de lecture et résistance aux radiations 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

12 Quel choix technologique ?
CCD (SLD) Couches minces, granularité Vitesse de lecture, tolérance aux radiations (n) Pixels hybrides (ATLAS, CMS) Rapide, résistants aux radiations  Budget de matière, granularité MAPS (capteurs CMOS) Granularité, possibilités d’amincissements Plus rapide que les CCDs Bonne résistance aux radiations Utilisation de la technologie standard CMOS en plein essor industriel Intégration d’éléments de traitement du signal dans le substrat Logique de contrôle, conversion analog./num., préamplification, etc.  Technologie en développement. DEPFET, SOI, etc. technologies à plus long terme 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

13 CMOS : introduction Collaboration IReS-LEPSI (1999) R & D dépend
P dopage Collaboration IReS-LEPSI (1999) Trajectoire de la particule élevé (p-well) Moderé (couche epitaxiale) élevé (subtrat) Diode de collection de charge R & D dépend fortement de la technologie de fabrication Fort dévelop. Dans l‘industrie (caméras, appareils photos num.) Exploration des différents procédés de fabrication Paramètres clefs Couche épitaxiale (≳ 5µm) Taille de la grille (≲ 0.35µm) Courant de fuite Nombre de métallisation (3-6 couches) Etc. Préampli (1 par pixel) Diffusion thermique des électrons 20-40µm Electron libre dans la bande de conduction Potentiel dans la région de la diode La R & D doit suivre les évolutions de la technologies 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

14 Exemple de capteur (Mimosa 5)
Capteur monté sur son PCB Microélectronique de contrôle et de lecture Galette avant découpage 17.35 mm 19.4 mm 1000 pixels 1000 pixels 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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Axes de la R & D Validation pour la détection de particules chargées ( ) Dévelop. de capteurs de grande taille Caractérisation de la technologie sans épitaxie R&D sur les capteurs rapides (System On a Chip) Cette R & D a permis de valider la technologie et d’ouvrir des perspectives pour de multiples applications 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

16 Premières validations (1999-2002)
MIMOSA 1-4 (minimum Ionising Particle MOS Active pixel sensor) M1(M2) : zone épitaxiale de forte (faible) épaisseur M3 : technologie submicronique profonde M4 : sans couche épitaxiale Performances. Rapport Signal/Bruit: ~ 20-40 Efficacités de détection: 98.5–99.5% Résolution spatiale: m Perspectives Technologie permettant une haute intégration de l’ électronique sur le capteur lui-même, pour un coût réduit Technologies sub-microniques  pixels de taille réduite Circuit actif pendant la lecture  Puiss. Dissipée modeste Amincissement jusqu’à qqs 10s de microns limite diff. multip. 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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PROTOTYPES: MIMOSA MIMOSA 1,2,4,5 testés au 120 GeV/c - SUCESSOR 2 (PROJET SUCIMA): tests en faisceau fin 2003 40 m pitch, pas de couche epitaxiale. M6 testé M7 tests été 2004, faisceau septembre 2004 M5 aminci tests en faisceau été 2004 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

18 Calibration et faisceau test
source 55Fe ( ~5.9 keV) Faisceau CERN-SPS (120 GeV/c -, -, etc.) Détecteur de référence: 8 plans de silicium à micropistes. Résolution spatiale ~ 2 m/plan Extrapolation de la trace ~ 1 m Déclenchement: scint. plastique 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

19 Reconstruction des impacts
Signal brut = signal physique + piédestal + bruit + mode commun CDS : (correlated double sampling) Soustraction de 2 images consécutives Reconstruction: La charge se répartit entre plusieurs pixels voisins amas de pixels touchés Résolution Différentes méthodes pour déterminer le point d’impact Centre de gravité Fonctions  Séparation de 2 impacts Mimosa 1 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

20 Capteurs de grande taille (M5)
AMS 0.6 m (M1 like) Taille réticulaire 19.4 x 17.4 mm2 512 x 512 pixels (pour chacune des 4 matrices) 17x17 m pitch 4 sous-matrices par capteur, lues en //. 6 galettes (6’’) fabriquées en 2001 3 galettes amincies à 120 m (2003) Résultats (2002): rendement % det ≳ 99%; sp ~2 m; <gain> ~0.2% 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

21 Capteurs de grande taille 2003 (2)
Faisceau SPS (2003) 3 capteurs 120 GeV/c - Tests d’uniformité Entre les sous matrices/ capteurs Comparaisons suivant taille de diode petite diode (3x3 m2) grande diode (5x5 m2) 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

22 Grande taille: application
Expérience STAR : extension du détecteur de vertex (2006) Physique du charme  détecteur de petit rayon, granulaire et mince. 2 couches de pixels  ≳ 1000 cm2 ; Rlayer1 ≳ 1.5 cm; Rlayer2 ≲ 4 cm Les performances de M5 sont proches des spécif. de STAR Collaboration avec LBL et BNL Que faut-il améliorer ? temps de lecture ~ 24 ms  < 20 ms épaisseur ~ 120 µm  ≳ 50 µm courant de fuite (fonctionnement à T. amb.) rendement (moins crucial) Premier prototype mimo-STAR pour l’été 2004 (TSMC 0.25 µm tech.) M5-STAR ~ OK pour un collisionneur chaud ! 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

23 Prototypes sans couche épitaxiale
Propriétés (M4) AMS 0.35 µm sans épi. substrat de faible dopage   tps de vie faisceau 120 GeV/c - SPS eff ≳ 99.5% ; sp ~2.5 µm (20 µm pitch) Application pour le projet européen d’imagerie biomédicale  SUCIMA (SUC2) Monitorage de faisceau et dosimétrie Granularité moins essentielle Soumission de Mimosa 9 avec ET sans couche épitax. sur le même run de fonderie AMS 0.35 µm batch (Janvier 2004) M4 Total charge in N pixels M4: Signal/B dans le pixel siège La fabrication avec couche épitaxiale n’est pas obligatoire ! 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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SB1 Charge (1,9,25 pixels) sans epi. : SUCCESSOR 2 SUCCESSOR 2: (~ M4, pitch 40 m) Imagerie biomédicale, projet SUCIMA (sans couche épi., AMS 0.35 m) 40x40 m2 pixels Tests en faisceau (oct. 2003) différentes sous-structures testées (3T pixel, Self-Bias, pixels avec 2 tailles de diodes différentes) eff ≳ 99.9 % sp ~5-6 m (~2 x M4 avec pas 20 m) Meilleures performances pour les grandes diodes SB Bruit (e-) vs T X resolution vs T S/N vs T ? 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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Beamstrahlung Pincement des faisceaux  émission de  (négligeable à LEP et SLD) 6 x 1010  / croisement GeV) Emis principalement vers l’avant Etalement du spectre en énergie Bruit de fond Conversion e+e- augmente l’occupation du dét. de vertex + Bdf hadronique, neutrons. rayon de la première couche Perte d’énergie moyenne E 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

26 R&D sur les capteurs rapides
M1-M5  1M pixels. lecture en 1-10 ms LC  1ere VD couche doit être lue en s (beamstrahlung) énorme flot de données attendu e.g. 15 bits/pixels, t~25 s  500 Gbits/s/106 pixels ! But principal: traitement rapide du signal ET compression des données intégrée sur le capteur Lecture rapide de colonnes courtes en // Différents prototypes avec différents traitements du signal: M6 (collab. DAPNIA): testés en 2003, Fonctionnement individuel des pixel OK. Discri. OK Mais large dispersion des caractéristiques des pixels (piédestal, bruit, gain ?) M7: revenu de fabrication, tests été 2004. M8 (collab. DAPNIA): premiers tests été 2004 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

27 R&D sur les capteurs rapides (2)
Mimosa 6 (IRES-LEPSI/DAPNIA) 0.35 µm MIETEC techno. 30 colonnes de 128 pixels r.o. en // Amplification (5.5) et Correlated Double Sampling Intégré dans le pixel 5 MHz fréq. eff. de lecture Discriminateur (DAPNIA) sur la périphérie du chip Pdiss ~ 500 µW par col. et frame r.o. cycle Mimosa 6 Charge storage Capacitor (90 fF) 28 µm AC coupling capacitor (50 fF) Distribution de l’amplitude du signal (1pixel) Pic de calib. 5.9 keV 15-17 December 2003 ACFA

28 Quelques exemples d’applications
STAR SUCIMA Protonthérapie Monitorage de faisceau Curiethérapie Contrôle des doses Expérience CBM (Darmstadt) Expérience ions lourds sur cible fixe ( 2012 ?) Dosimétrie  Mesure du radon Tumeur (Co60 ) faisceau de photons g ou rayons X ©TERA Tumeur faisceau de protons ©TERA faisceau de protons électrons secondaires feuille d’aluminium Détecteur CMOS Mesure du profil du faisceau ©TERA 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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Conclusion Le prochain collisionneur linéaire ouvre de fascinantes perspectives Machine de précision, complément idéal du LHC L’exigence de précision gouverne le design des détecteurs Capteurs CMOS La R & D de ces dernières années a demontré la faisabilité technique d’un détecteur de vertex basé sur les capteurs CMOS. Validation en faisceau Fort dynamisme industriel autour de cette technologie Applications: STAR, CBM, dosimétrie, etc. R & D à venir : vitesse de lecture & intégration, tolérance rad., amincissement. + refroidissement, support mécanique, etc. 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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Back up Back up 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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32 CMOS (fonctionnement)
(4) Elément de base: le pixel actif Schéma de photodiodes et de microcircuits de prétraitement, le tout constituant un groupe de pixels (1 µm = 1 millième de millimètre ou 1 millionième de mètre) (4) Le signal électrique généré, proportionnel au nombre d’électrons collectés, passe alors dans le microcircuit de prétraitement 20 µm (3) (2) (1) couche sensible substrat (1) Une particule (photon, proton, électron, etc…) traverse le silicium d'un circuit intégré (2) Elle ionise la couche active en éjectant les électrons du nuage électronique des atomes (3) Ces électrons sont alors récupérés par le collecteur © LEPSI 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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Fabrication Différentes technologies de haute précision : dépots, oxydations, lithographie, masques, recuits, etc. Différentes couches successives de cristaux de silicium, de métaux et d’isolants forment une mosaïque de zones et d’empilements. La galette: diam. = 15 cm épaisseur ~ 100 microns Chaque capteur constitue un circuit intégré sur silicium. 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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Charge collectee 1,5,25, 49 pixels Bruit Sans couche epi. (M4)  X Ray  Non irrad.  neutrons Test Rad. tol. : 200 kRad (x-rays), neq/cm2 S/N ↘ quand T ↗ si T ≲ 20⁰C  pas d’effet visible sur l’efficacité et la résolution Les effets des radiation sont négligeables à ce niveau (200 kRad ;1.4x1011 n/cm2) S/N vs T Résolution spatiale (non irr.)  X Ray  Non irrad.  neutrons 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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Pixels hybrides 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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CCD 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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SOI 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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CMOS 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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DEPFET 15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC

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CMOS: detections de  15 avril 2004 A.Besson, Séminaire LPSC