El científico coloca cuidadosamente los sensores en la estación de la sonda y los prueba aplicando un alto voltaje con una aguja. El equipo debe usar equipo de protección para mantener el sensor a salvo del polvo y los arañazos. Crédito:Ulysse Fichet / CERN
En un especial, libre de polvo, laboratorio limpio, a caballo entre la frontera suizo-francesa, un grupo de físicos dedica su tiempo a sondear hexágonos de silicio del tamaño de una mano. Estos hexágonos tienen un grosor de una fracción de milímetro y están formados por más de cien hexágonos más pequeños, sensores individuales cada uno de aproximadamente un centímetro de ancho. Junto con capas de metal, los sensores formarán un nuevo subdetector para reemplazar parte de los calorímetros de la tapa del extremo en el experimento CMS del CERN.
Un calorímetro mide la energía que pierde una partícula a su paso. Por lo general, está diseñado para detenerse por completo o "absorber" la mayoría de las partículas provenientes de una colisión. Los nuevos sensores de calorímetro se utilizarán para medir la energía y el tiempo de llegada y para rastrear el camino de las partículas individuales que vuelan en forma de escombros desde el punto de colisión en el centro del experimento. Una vez en su lugar, esta será la primera vez que este tipo de sensor de silicio se haya utilizado en el calorímetro de un detector de partículas a una escala tan grande.
Los sensores son parte de un proyecto de actualización más amplio para asegurarse de que los experimentos puedan hacer frente a un mayor número de colisiones de partículas como resultado de la actualización del LHC de alta luminosidad (HL-LHC) en 2025, y el mayor potencial de descubrimiento que conlleva. La tecnología actual se basa en largos, Cristales transparentes de plomo-tungstato diseñados para hacer frente a la radiación en los detectores Aunque funcionarán bien para la era del LHC, hasta 2025, la cantidad de radiación esperada durante el HL-LHC oscurecerá los cristales hasta que se vuelvan ciegos a las partículas que los atraviesan.
Eva Sicking trabaja en la estación de sondas. Ella explica:“Actualmente usamos agujas de sonda individuales para contactar la celda que queremos probar y todos sus vecinos directos, pero también estamos desarrollando una tarjeta de sonda con muchos pines debajo para que podamos bajar la tarjeta y conectar todos los pines y probar todas las celdas de los sensores de una sola vez. por lo que no necesitaremos colocar cada una de las ocho agujas individualmente ". Crédito:Ulysse Fichet / CERN
"Los cristales de plomo-tungstato que utilizamos ahora están diseñados para funcionar a tasas de colisión comparativamente bajas y en un entorno de baja radiación. Con el HL-LHC, tendremos cientos de colisiones a la vez, así que necesitábamos algo que pudiera resistir el aumento de la radiación y resolver las lluvias de partículas muy cercanas entre sí en el espacio y el tiempo, "explica Eva Sicking, el físico aplicado que lidera este proyecto de sensores de silicio. "Queremos poder distinguir las diferentes partículas que vemos, y también saber cuáles vinieron de qué colisiones ".
"Estos sensores no solo proporcionan un sistema que es más resistente a la radiación; al mismo tiempo, también brindan más información sobre dónde pasaron exactamente las partículas. También nos brindan muy buena información de tiempo, para que podamos determinar exactamente cuándo llegó esta partícula, y gracias a las celdas pequeñas puede hacer eso para muchas colisiones al mismo tiempo, "continúa Andreas Maier, que también está trabajando en el proyecto.
Sándwiches de metal
Los sensores constituyen la parte central del nuevo subdetector, que reemplazará la tapa final actual en CMS, en la foto. Crédito:David Barney / CERN
Para asegurarse de que los sensores puedan hacer esto, en lugar de cristales largos, el equipo se está alejando de los cristales largos y en su lugar está construyendo sándwiches:capas del sensor que se alternan con capas de un metal pesado, como el plomo.
Para probar cada sensor en el sándwich, el equipo está utilizando una estación de sonda especial, con ocho agujas colocadas sobre una placa de vacío. El plato contiene lo delicado, y caro, sensores de silicona firmemente en su lugar para que las agujas se puedan maniobrar y bajar para conectar con las almohadillas de contacto marcadas en cada sensor. Luego, aplican un alto voltaje al sensor para registrar los datos que se utilizarán para evaluar la calidad del sensor.
Un equipo de investigadores de CMS ya ha probado el primer prototipo de calorímetro tipo sándwich con partículas individuales, pero en el HL-LHC mejorado, se producirán múltiples colisiones de partículas a la vez y cientos de partículas de escombros pasarán a través de los sensores al mismo tiempo. El prototipo se basa en silicio y metales densos:la imagen muestra las capas alternas de metal y el sensor de silicio. El haz de partículas se ejecutará desde la izquierda de la imagen hasta la derecha. Crédito:David Barney / CERN
Los instrumentos sensibles le dicen al equipo cuál es la corriente eléctrica generada en el sensor, así como una medida llamada capacitancia. Si alguno de estos se ejecuta por encima de un nivel establecido, el sensor no se puede utilizar, ya que creará ruido que interfiere con los datos de cualquier pista de partículas. Si el ruido es demasiado alto, los investigadores pueden evaluar si existe un problema a nivel de producción. Si se encuentra un problema, vuelven a los fabricantes para asegurarse de que esté resuelto antes de que los sensores reales entren en producción. Todos los sensores que se utilicen eventualmente pasarán por este proceso, ya sea en el CERN o en otros institutos.
Optimización de la potencia
Medir la corriente es particularmente importante porque puede tener un impacto en la cantidad de potencia y energía que se requieren cuando la máquina está en funcionamiento.
"En un mundo ideal, el sensor no mostraría ninguna corriente de fuga, Pero en la realidad, se introducen impurezas durante la producción de estos sensores. Por lo tanto, la corriente que medimos es un indicador de la calidad de la producción, "Florian Pitters, otro miembro del grupo, explica.
El software muestra la corriente que atraviesa cada sensor, y el mosaico hecho de múltiples sensores más pequeños se muestra en la parte inferior derecha. Crédito:Andreas Maier / CERN
La corriente de fuga es aceptable por debajo de cierto nivel, pero se amplifica a medida que agrega más sensores juntos y la fuente de alimentación y el sistema de enfriamiento tienen que lidiar con una mayor cantidad de energía y calor disipado.
Si hay algún problema en los sensores finales, podría provocar un cortocircuito en toda la loseta, haciéndolo inútil. Por lo tanto, estas pruebas son vitales para garantizar que todo el sistema de detectores funcione de la mejor manera y que estos componentes no creen barreras para futuros descubrimientos.
"Ha habido errores con cosas que la gente no podría haber sabido, hasta que los probamos. Hemos descubierto algunas veces que los caminos que pretendíamos ir simplemente tenían que abandonarse, así que elegimos un nuevo camino. Así es como va la investigación "dice Andreas.
