Detectores de avalancha de baja ganancia resistentes a la radiación para la medición de tiempo con alta precisión para la actualización de alta luminosidad del experimento CMS
La actualización de Alta Luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC) será el experimento insignia de la física de partículas en la próxima década. Con el incremento en la luminosidad surgen nuevos desafíos técnicos, especialmente en la reconstrucción de los vértices primarios de las colis...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Cantabria (UC) |
| Repositorio: | UCrea Repositorio Abierto de la Universidad de Cantabria |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:repositorio.unican.es:10902/36891 |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/10902/36891 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Detectores Semiconductores LGAD HL-LHC Actualización CMS Detectores resistentes a la radiación Semiconductor Detectors CMS upgrade Radiation-Hard detectors |
| Sumario: | La actualización de Alta Luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC) será el experimento insignia de la física de partículas en la próxima década. Con el incremento en la luminosidad surgen nuevos desafíos técnicos, especialmente en la reconstrucción de los vértices primarios de las colisiones. Esto se debe a la ocurrencia de múltiples colisiones entre protones en un mismo cruce de haces, un fenómeno conocido como apilamiento (pile-up), que genera una gran densidad de interacciones superpuestas y complica la asignación precisa de las partículas al vértice primario del que proceden. Una asignación incorrecta de los vértices afecta la calidad de los datos reconstruidos, lo que se traduce en una importante reducción de la luminosidad efectiva del experimento. Para afrontar este desafío, dentro del experimento Compact Muon Solenoid (CMS), en el cual se enmarca esta tesis, se ha propuesto la implementación de un nuevo concepto de detector, el MIP Timing Detector (MTD). Este detector permitirá medir los tiempos de producción de partículas cargadas mínimamente ionizantes (Minimum Ionizing Particles, MIP) con una alta resolución temporal, proporcionando una nueva dimensión en la identificación y separación de las colisiones superpuestas. Más concretamente, esta tesis se centra en el desarrollo de la tecnología sensora para la región de cierre del MTD, conocida como Endcap Timing Layer (ETL). La tecnología de sensores seleccionada para estas capas de temporización son los Low-Gain Avalanche Detectors (LGADs), los cuales ofrecen una respuesta de señal ultrarrápida, una ganancia interna moderada y una excelente resolución temporal, características que los hacen ideales para el seguimiento de alta precisión en la era del HL-LHC. En esta tesis doctoral, se presentan estudios de tolerancia a la radiación de sensores de silicio de avalancha de baja ganacia LGAD (Low Gain Avalanche Detectors), los cuáles serán empleados en el "Compact Muon Selenoid" (CMS) para la actualización de alta luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones LHC (Large Hadron Collider). Para ello se han realizado diferentes campañas de caracterización sobre LGADs con distintas tecnologías: Fabricados en obleas con sustratos de tipo "Silicon on Silicon" (SiSi) y en sustratos crecidos "epitaxialmente" (Epi), además algunos sensores de éstas producciones fueron fabricados con co-implantación de Carbono en la capa de multiplicación, con el objetivo de mejorar su tolerancia a la radiación, comparado con sensores estándard después de ser irradiados. Como resultado, se concluye que entre los sensores LGAD fabricados en el Centro Nacional de Microelectrónica (CNM), los sensores SiSi con coimplantación de carbono (dosis de 9×1014 at/cm2 ), tras ser irradiados con una fluencia de 15×1014 neq cm−2 cumplen los requisitos de resolución temporal del experimento CMS de menos de 50 ps al voltaje de operación, definido como el voltaje necesario para alcanzar una carga colectada de 8 fC, y por debajo del límite de 12 V/µm para el voltaje de polarización de estos dispositivos. El Capítulo 1 proporciona una visión general del experimento CMS del LHC y el contexto de la actualización de alta luminosidad (HL-LHC). El Capítulo 2 sienta las bases de los detectores semiconductores. En el Capítulo 3 se revisa el estado-del-arte y las tendencias de I+D de los detectores semiconductores en la física de altas energías. En el Capítulo 4 se describen los métodos experimentales utilizados en las diversas campañas de caracterización, test-beams y las instalaciones de irradiación. En el Capítulo 5 se explican los daños específicos de los LGAD por radiación. Los resultados de la caracterización de LGADs para el CMS ETL se presentan en el Capítulo 6, y finalmente, el Capítulo 7 contiene un resumen y las conclusiones de esta tesis. Posteriores investigaciones se pueden plantear en la optimización de la dosis de implantación y profundidad de la capa de ganancia, combinando el enriquecimiento con Carbono en sensores fabricados con tecnología epitaxial, así como la implentación de nuevas tecnologías en el diseño de sensores como el LGAD inverso con trinchera (Trenched iLGAD). |
|---|