Probando el Módulo de Tira Corta para HL-LHC

El ATLAS Inner Tracker (ITk) es una parte clave del experimento ATLAS en CERN, diseñado para mejorar la detección de partículas producidas en colisiones de alta energía. Como parte de la actualización del High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), el ITk usará módulos avanzados de tiras de silicio. Un componente importante de esta actualización es el módulo Short Strip (SS), que necesita ser probado para asegurar que funcione bien en varias condiciones.

Este estudio se centra en probar el módulo SS usando haces de electrones de niveles de energía específicos. La meta es evaluar cómo funciona el módulo a diferentes temperaturas, tanto cálidas como frías. Entender su rendimiento en estas condiciones es vital para planificar experimentos futuros y asegurar que el módulo funcione efectivamente durante el HL-LHC.

#Antecedentes sobre la actualización del ATLAS ITk

El Large Hadron Collider (LHC) va a recibir una actualización que aumentará significativamente sus capacidades. Esta actualización permitirá que el LHC produzca muchas más colisiones de partículas, mejorando su habilidad para descubrir nueva física. Para apoyar esta actividad incrementada, el detector ATLAS se está actualizando al sistema ITk, que reemplazará gran parte del detector interno actual.

El nuevo sistema ITk consistirá en múltiples capas de detectores de silicio, incluyendo tanto detectores de píxeles como de tiras. Estos detectores están diseñados para soportar los niveles de radiación más altos esperados en el ambiente del HL-LHC, mientras ofrecen mejor precisión y velocidad en la recolección de datos.

#Importancia de la temperatura en el rendimiento del detector

El rendimiento de los módulos de tiras ITk puede variar según la temperatura. Durante la operación en el HL-LHC, los módulos estarán a temperaturas frías para reducir el daño por radiación. Por lo tanto, probar su rendimiento a temperaturas cálidas y frías es esencial. Las mediciones tomadas durante estas pruebas proporcionarán información sobre cómo se comportan los módulos en condiciones operativas.

#Configuración experimental

Las pruebas se llevaron a cabo en las instalaciones de DESY-II Testbeam en Hamburgo, donde se generó un haz de electrones. Los electrones se ajustaron a energías de 5.4 GeV y 5.8 GeV para las pruebas. El módulo SS se colocó en un ambiente controlado para analizar su respuesta a diferentes temperaturas.

Se usó una caja de enfriamiento especial para mantener el módulo a temperaturas frías, mientras que las pruebas en caliente se realizaron a temperatura ambiente. Además, se utilizaron detectores externos para rastrear con precisión los caminos de los electrones que impactaban en el módulo. Esta configuración permitió medir con precisión tanto el ruido electrónico del módulo como las señales generadas en respuesta al haz de electrones.

#Medición del rendimiento

#Medición de ruido

Uno de los aspectos críticos del rendimiento del detector es el nivel de ruido en el sistema. El ruido puede interferir con la detección de señales reales de partículas y afectar la eficiencia general del módulo. Los niveles de ruido se evaluaron realizando ejecuciones de pedestal sin el haz e inyectando cantidades conocidas de carga en el sistema.

Se realizaron dos conjuntos diferentes de mediciones: uno sin inyección de carga y otro con una carga leve de 0.2 femtocoulombs (fC). Los resultados indicaron que el ruido era consistentemente más bajo a temperaturas frías en comparación con condiciones cálidas. Esta reducción del ruido ayudaría a mantener la integridad de las señales que el módulo detecta, especialmente en el desafiante ambiente del HL-LHC.

#Eficiencia de Detección de carga

La eficiencia de detección es otra medida crítica. Define cuántas veces el módulo detecta correctamente un impacto cuando una partícula cargada pasa a través de él. El rendimiento se evaluó en función de si el impacto se registraba dentro de un número específico de tiras adyacentes a la pista reconstruida de los electrones entrantes.

La ubicación donde la partícula golpea la tira también influye en la eficiencia de detección. Cuando una partícula golpea el centro de una tira, generalmente resulta en una señal más fuerte, lo que lleva a una mayor probabilidad de detección. Sin embargo, si el impacto ocurre demasiado cerca del borde de una tira, la señal puede dispersarse a tiras adyacentes, haciendo que sea menos probable que active una detección en una sola tira.

#Reconstrucción de la forma del pulso

Entender la forma del pulso de señal producido por el módulo es vital para una lectura de datos efectiva. La corriente inducida por una partícula cargada produce un pulso que luego es moldeado y leído por el sistema. El momento de muestreo de este pulso es crítico; si no se muestrea en el momento correcto, la lectura puede no reflejar con precisión la fuerza de la señal.

Para asegurar que el momento era correcto, se probaron múltiples configuraciones de retraso para ver cómo afectaban la forma del pulso grabado. Estas mediciones se usaron para crear una representación del pulso a lo largo del tiempo, demostrando cómo se comporta la señal a diferentes temperaturas.

#Resultados

Los resultados de las pruebas proporcionaron varias ideas clave sobre el rendimiento del módulo SS.

#Rendimiento del ruido

Los niveles de ruido medidos a temperaturas frías y cálidas mostraron una diferencia clara. A temperaturas frías, las mediciones de ruido fueron significativamente más bajas, lo cual es ventajoso para asegurar que la relación señal-ruido se mantenga alta. Esto es crucial para operar eficientemente en el ambiente de alta luminosidad del HL-LHC.

#Eficiencia de detección

Los resultados de eficiencia de detección indicaron que el módulo mantuvo alta eficiencia tanto en condiciones frías como cálidas, con valores muy por encima del objetivo del 99%. Esto se logró a pesar de los desafíos que presentan las temperaturas variables. También se caracterizaron los efectos de diferentes ubicaciones de impacto-centro versus borde-confirmando que la eficiencia se mantuvo óptimamente con umbrales apropiados.

#Mediciones de Señal

La cantidad de carga recopilada de los impactos fue consistente a través de temperaturas, sin diferencias significativas observadas. Esto es alentador ya que sugiere que las fluctuaciones de temperatura no afectan adversamente la fuerza de la señal, lo cual es una cualidad deseable para operar en el ambiente del HL-LHC.

#Análisis de forma de pulso

El análisis de la forma del pulso mostró que los pulsos de la electrónica eran más rápidos a temperaturas frías. Esta velocidad es vital para minimizar los efectos de acumulación durante las altas tasas de colisiones esperadas en el HL-LHC. La forma y duración de los pulsos coincidieron bien con las predicciones teóricas.

#Conclusión

La medición y comparación exitosa del rendimiento del módulo Short Strip a diferentes temperaturas brinda confianza en su implementación en el HL-LHC. Con ruido reducido, alta eficiencia de detección y mediciones de señales estables, el módulo está bien posicionado para manejar las crecientes demandas de operaciones de alta luminosidad.

Estos hallazgos no solo validan el diseño del módulo, sino que también destacan la importancia de los factores ambientales en el rendimiento del detector. A medida que continúan las pruebas, los datos recolectados serán esenciales para asegurar que el detector ATLAS actualizado cumpla con los altos estándares requeridos para futuros descubrimientos en física de partículas.