Quel d

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

2
Pourquoi un collisionneur linéaire ?

• Le LC sera mis en service probablement après les
  découvertes majeures du LHC
• Flexibilité
• Modulation de lénergie (GigaZ, 2 Mtop, MZMH,
  seuils en SUSY, etc.)
• Collisions ee-, ?e-, ??, e-e-, eN
• Polarisations des faisceaux
• Précision
• État initial connu
• Énergie connue ( 10-410-5 )
• Interaction électrofaible
• Taille des Faisceaux réduite ? étiquetage des
  saveurs (b,c,??)
• Rapports S/B favorables
• Luminosité bien connue ( 10-210-4 )
• Haute luminosité (1000 fb-1)
• Détecteurs de hautes précisions

Mesures de hautes précisions qui Complètent les
résultats du LHC
3
Le prochain collisionneur linéaire

• 3 projets ( 500-1000 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
1992 2004
2007-2009 2015 ?
Début des travaux de développement
Premières collisions
Choix de la technologie
Début de la Construction
4
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)

5
Structure du faisceau _at_ 500 GeV
5 Hz
2820 paquets
2820 paquets
199.05 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
6
TESLA Paramètres de la machine
paramètre 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 ?s 1370
de paquets / pulse 2820 4886
Espacement des paquets ns 337 176
Charge / paquets (Ne) 1010 2 1.4
Emittance à lIP (x,y) 10-6 m 10 / 0.03 8 / 0.015
Beta à lIP (x,y) mm 15 / 0.4 15 / 0.4
Taille du faisceau à lIP (?x / ?y) nm 553 / 5 391 / 2.8
Longueur du paquet à lIP (?z) mm 0.3 0.3
Beamstrahlung (?E) 3.2 4.3
Luminosité 1034cm-2s-1 3.4 5.8
Puissance par faisceau MW 11.3 17
Puissance électrique primaire des 2 faisceaux MW 97 150
7
Programme de physique

• Questions clefs
• 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 ? 100-200 MeV/c2
• mW? ? 5 MeV/c2
• GigaZ ? ?sin2?Weff / sin2?Weff ? 0.01
• Mesures Indirectes ?MH/ MH 5
• Nouvelle physique
• Susy ? vs lt 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
8
Programme de physique (2)

• Higgs.
• Masse
• Largeur qqs
• section efficace 1
• gHHH 15-20 ? gHHH 6v2 ?
• Potentiel Higgs.
• ? ? ? H
• Couplage de Yukawa (H-f-fbar)
• t-tbar-Higgs.
• ?(ttbar-H) 1-3 fb (115 mH 200)
• Etat final jusquà 10 partons
• ?yHttbar / ?yHttbar 5-10

9
Sections efficaces
10
Le détecteur TESLA

• Un seul mot dordre 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
11
Le détecteur de vertex

• Identification b, c, ?
• Haute résolution sur le paramètre dimpact
• Efficacité de détection ? 99
• Résolution IP
• ?IP 5 ?m ? 10 ?m.GeV / (p sin3/2?)
• Diffusion multiple lt0.1 X0 / couche
• Couches minces 50 ?m de Si
• 5 couches (R11.5 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?5109 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
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 damincissements
• Plus rapide que les CCDs
• Bonne résistance aux radiations
• Utilisation de la technologie standard CMOS
• en plein essor industriel
• Intégration déléments 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

13
CMOS introduction
P dopage
Trajectoire de la particule
Collaboration IReS-LEPSI (1999)
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 lindustrie
• (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
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
Axes de la R D

• Validation pour la détection de particules
  chargées (1999-2002)
• Dévelop. de capteurs de grande taille
• Caractérisation de la technologie sans épitaxie
• RD sur les capteurs rapides
• (System On a Chip)

Cette R D a permis de valider la technologie et
douvrir des perspectives pour de multiples
applications
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 98.599.5
• Résolution spatiale 1.4-2.5 ?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 jusquà qqs 10s de microns ?limite
  diff. multip.

17
PROTOTYPES MIMOSA

• MIMOSA 1,2,4,5 testés au CERN-SPS _at_ 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

18
Calibration et faisceau test

• Calibration
• 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

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 dimpact
• Centre de gravité
• Fonctions ?
• Séparation de 2 impacts

Mimosa 1
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 20-30
• ?det ? 99 ?sp 2 ?m ?ltgaingt 0.2

21
Capteurs de grande taille 2003 (2)

• Faisceau test _at_ SPS (2003)
• 3 capteurs
• 120 GeV/c ?-
• Tests duniformité
• Entre les sous matrices/ capteurs
• Comparaisons suivant
• taille de diode

petite diode (3x3 ?m2)
grande diode (5x5 ?m2)
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 ? lt 20 ms
• épaisseur 120 µm ? ? 50 µm
• courant de fuite (fonctionnement à T. amb.)
• rendement (moins crucial)

• Premier prototype mimo-STAR pour lété 2004 (TSMC
  0.25 µm tech.)
• M5-STAR OK pour un collisionneur chaud !

23
Prototypes sans couche épitaxiale

• Propriétés (M4)
• AMS 0.35 µm sans épi.
• substrat de faible dopage ? ? tps de vie
• faisceau test _at_ 120 GeV/c ?- SPS
• eff ? 99.5 ?sp 2.5 µm (20 µm pitch)
• Application pour le projet européen dimagerie
  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 nest pas obligatoire !

24
sans epi. SUCCESSOR 2
SB1 Charge (1,9,25 pixels)

• 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
?
25
Beamstrahlung

• Pincement des faisceaux ? émission de ?
• (négligeable à LEP et SLD)
• 6 x 1010 ? / croisement (_at_500 GeV)
• Emis principalement vers lavant
• Etalement du spectre en énergie
• Bruit de fond
• Conversion ee- augmente
• loccupation du dét. de vertex
• Bdf hadronique, neutrons.
• rayon de la première couche
• Perte dénergie moyenne ?E

26
RD sur les capteurs rapides

• M1-M5 ? 1M pixels. lecture en 1-10 ms
• LC ? 1ere VD couche doit être lue en 25-50 ?s
  (beamstrahlung)
• énorme flot de données attendu
• e.g. 15 bits/pixels, t25 ?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

27
RD 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 lamplitude du signal (1pixel)
Pic de calib. 5.9 keV
28
Quelques exemples dapplications

• STAR
• SUCIMA
• Protonthérapie
• Monitorage de faisceau
• Curiethérapie
• Contrôle des doses
• Expérience CBM (Darmstadt)
• Expérience ions lourds
• sur cible fixe (? 2012 ?)
• Dosimétrie ?
• Mesure du radon

29
Conclusion

• Le prochain collisionneur linéaire ouvre de
  fascinantes perspectives
• Machine de précision, complément idéal du LHC
• Lexigence de précision gouverne le design des
  détecteurs
• Capteurs CMOS
• La R D de ces dernières années a demontré la
  faisabilité technique dun 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.

30
Back up

• Back up

31
(No Transcript)
32
CMOS (fonctionnement)
33
Fabrication

• Différentes technologies de haute précision 
• dépots, oxydations, lithographie, masques,
  recuits, etc.
• Différentes couches successives
• de cristaux de silicium, de métaux et disolants
  
• forment une mosaïque de zones et dempilements.
• La galette
• diam. 15 cm
• épaisseur 100 microns
• Chaque capteur constitue un circuit intégré sur
  silicium.

34
Sans couche epi. (M4)
Charge collectee 1,5,25, 49 pixels
Bruit
? X Ray ? Non irrad. ? neutrons

• Test Rad. tol.
• 200 kRad (x-rays),
• 1.4 1011 neq/cm2
• S/N ? quand T ?
• si T ? 20C ? pas deffet visible sur
  lefficacité 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
35
(No Transcript)
36
Pixels hybrides
37
CCD
38
SOI
39
CMOS
40
DEPFET
41
CMOS detections de ?