Etude d’un détecteur silicium de temps vol de haute résolution temporelle et spatiale base sur la technologie hv-cmos pour le lhc a haute luminosité et application à la réduction de l’effet d’empilement des collisions dans les analyses de physi

 COMMISSARIAT A L’ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES (CEA) – FRANCE

 CEA/IRFU

 ETUDE D’UN DETECTEUR SILICIUM DE TEMPS VOL DE HAUTE RESOLUTION TEMPORELLE ET SPATIALE BASE SUR LA TECHNOLOGIE HV-CMOS POUR LE LHC A HAUTE LUMINOSITE ET APPLICATION A LA REDUCTION DE L’EFFET D’EMPILEMENT DES COLLISIONS DANS LES ANALYSES DE PHYSIQUE AVEC LE DETECTEUR ATLAS.

DESCRIPTION ET PROBLEMATIQUE

Apres la découverte du boson de Higgs avec les données du run1 a 7 et 8 TeV d’énergie dans le centre de masse de la collision proton-proton, l’objectif majeur du LHC est de chercher d’éventuels signaux de physique au-delà du modèle standard, soit par une analyse fine des propriétés du Higgs (en particuliers ses couplages aux autres particules), soit par la recherche directe d’états finals non explicables par le modèle standard. En plus de la montée en énergie à 13 puis 14 TeV, ces recherches vont demander une montée drastique en luminosité du collisionneur. A partir de 2025 (phase HL-LHC), il est prévu de faire fonctionner le collisionneur LHC avec plus de 200 collisions par croisement de paquets de protons ce qui va grandement compliquer l’analyse, en particulier vers l’avant, où il sera très difficile de relier les traces au vertex primaire (associé à la seule collision dure intéressante) et éviter ainsi la formation de faux jets créés par l’empilement aléatoire de traces en provenance de plusieurs vertex secondaires.

Emplacement a l’intérieur d’ATLAS du détecteur de temps de vol (indiqué par la flèche rouge) constitué par un anneau d'une surface de ~ 1 m2.

Une des solutions envisagées pour lutter contre cet effet d’empilement vers l’avant (pseudo-rapidité supérieure à 2,4) est de mesurer très précisément le temps d’arrivée des particules juste avant leur entrée dans le calorimètre bouchon afin de rejeter par la technique de temps de vol celles qui sont associées aux vertex secondaires étalés longitudinalement sur une distance d’environ 20 cm au centre du détecteur. Une résolution en temps de quelques dizaines de ps avec une granularité meilleure que 1 mm sera nécessaire pour obtenir un taux de réjection de faux jets qui soit acceptable. De telles performances doivent être obtenues avec un détecteur capable de résister au taux de radiation très important attendu dans cette partie du détecteur. Les techniques actuelles qui permettraient de telles performances comme les diodes à avalanche ne résisteraient pas à ce niveau de radiations. Dans cette thèse, on se propose d’étudier la possibilité d’utiliser un capteur en silicium semi-conducteur à pixels basé sur la technologie HV-CMOS. Le moindre coût de cette technologie, en comparaison avec la technologie hybride-planaire proposée pour équiper tout ou partie des futurs détecteurs internes des expériences auprès du HL-LHC, permettrait l’installation de plusieurs couches, condition nécessaire pour aboutir à la résolution temporelle recherchée.

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