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Upgrade des CMS-Spurdetektors

Um das Physikpotenzial des Large Hadron Colliders (LHC) voll auszuschöpfen, werden Beschleuniger und Detektoren sukzessive verbessert. Das ETP liefert signifikante Beiträge zum Upgrade des CMS-Spurdetektors.
Aufbau eines Moduls für den CMS-Pixeldetektor
Pixeldetektor-Modul
Konzept für ein pT-Modul für den CMS-Spurdetektors
pT-Modul-Konzept
RU5: Sensor Charakterisierung und Bestrahlungszentrum
RU5: Sensor Charakterisierung und Bestrahlungszentrum

Der LHC-Beschleuniger und die LHC-Experimente sollen mindestens bis 2035 betrieben und dabei sukzessive verbessert werden. Die Leistungsfähigkeit des CMS-Spurdetektors wird durch ein zweistufiges Upgrade sichergestellt, zu dem das Institut für Experimentelle Teilchenphysik (ETP) signifikante Beiträge liefert. In der ersten Stufe wurde der Silizium-Pixeldetektor ersetzt, in der zweiten Stufe (Hochluminositätsphase, HL-LHC) wird der gesamte Spurdetektor erneuert.

 

 

 

 

Stufe 1: Silizium-Pixeldetektor

Der Pixeldetektor des CMS-Experiments wurde Anfang 2017 durch einen komplette Neubau ersetzt. Dessen Zielvorgaben sind einerseits eine genauere Rekonstruktion der Flugbahnen der bei den Kollisionen entstehenden Teilchen und andererseits eine Ausleseelektronik, die auch nach den zukünftig geplanten Luminositätssteigerungen eine saubere Trennung der zahlreichen Einzelereignisse ermöglicht.

Die Neuentwicklung fand in einer internationalen Kollaboration statt. Aus Deutschland waren daran das KIT, die RWTH Aachen, die Universität Hamburg sowie das DESY beteiligt. Diese Institutionen haben gemeinsam die vierte Detektorlage für den Zentralbereich des neuen Detektors produziert. Am ETP wurden in den Jahren 2015 und 2016 zusammen mit dem Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE) etwa 400 Module für den neuen Pixeldetektor des CMS-Experiments aufgebaut. Der neue Silizium-Pixeldetektor wurde bis zum Sommer 2017 in Betrieb genommen und nimmt seitdem an der Datennahme teil.

 

Stufe 2: Gesamter Spurdetektor

Nach etwa 10 Jahren Betriebsdauer wird der CMS-Spurdetektor das Ende seiner Lebenszeit erreichen. Es ist geplant, den gesamten Spurdetektor durch einen neuen, leistungsfähigeren Detekor zur ersetzen, der den nochmals erhöhten Anforderungen des LHC-Betriebs Ende der 2020er Jahren genügt. Dazu wurde unter Federführung des ETP in den letzten Jahren die Strahlungsresistenz moderner Sensormaterialien aus Silizium und Diamant detailliert studiert. 

Der neue Spurdetektor soll neben der Spurfindung auch zur Auswahl von Kollisionsereignissen beitragen. Mit dem neuartigen Konzept der „pT-Module" können die Spuren geladener Teilchen mit kleinen Transversalimpulsen pT bereits bei der Online-Selektion von Ereignissen verworfen werden. Derzeit werden Prototypen von pT-Modulen entwickelt und intensiv auf ihre Leistungsfähigkeit getestet.

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