LHCb Detektorentwicklung
Spurdetektoren für das LHCb-Upgrade
Im Jahr 2022 wird Upgrade des LHCb-Experimentes abgeschlossen, in dem wesentlich höheren Datenraten als mit dem bisherigen LHCb-Detektor verarbeitet werden können. Spurdetektormodule aus szintillierenden Fasern (SciFi) mit Silizium-Photomultiplier-Auslese (SiPM) bilden die Hauptspurkammern des Upgrade-Detektors. Ein derartiger Einsatz der SciFi-Technologie ist völliges Neuland in der Hochenergiephysik.
Die Hardware-Gruppe der Arbeitsgruppe leitete die Entwicklung eines hochpräzisen, automatisierten Produktionsprozesses für Matten aus szintillierenden Fasern mit der dafür notwendigen Qualitätsanalyse. Weiterhin wurden die Eigenschaften von szintillierenden Fasern und SiPMs - insbesondere unter Einfluss von Strahlung - untersucht, um ihre Eignung für einen Betrieb im Experiment zu testen. Nach erfolgreicher Entwicklungsphase wurden am Standort Dortmund rund ein Drittel der Matten aus szintillierenden Fasern für den >300 qm großen SciFi Detektor des LHCb Upgrades bis 2018 gefertigt. Die Hardware-Gruppe hat von 2019 bis 2022 die Installation des SciFi vor Ort am CERN maßgeblich vorangetrieben und war in dieser Zeit insbesondere für die Verkabelung, die Spannungsversorgung sowie das Detektorsicherheitssystem (DSS) zuständig. Derzeit ist die Hardware-Gruppe an der Inbetriebnahme des SciFi Detektors beteiligt, insbesondere im Bereich Datenauslese über Glasfaserleitungen. Es gibt eine starke Zusammenarbeit mit den Mitgliedern der Arbeitsgruppe welche am SciFi Detektor für Alignement, Simulation und Rekonstruktion zuständig sind.
Ein weiteres Standbein der Hardware-Gruppe ist die Elektronikentwicklung. Die Auslese des Detektors muss mit einer Rate von 40 MHz möglich sein. Daher wurde das sogenannte Tell40-Board entwickelt, welches ein wichtiger Baustein in der Verarbeitungskette der Messdaten ist. Die Hardwaregruppe war insbesondere in der Entwicklungsphase eine treibende Kraft, die Endversion des TELL40 wurde in Marseille entwickelt und mit Industriepartnern produziert.
Zur präzisen Messung der Luminosität bei LHCb hat in einer Kollaboration mit Wissenschaftlern am CERN und am NIKHEF die Entwicklung eines neuen Detektors basierend auf Pixelmodulen begonnen, der LumiTracker. Das Prinzip ist die Nutzung von in Echtzeit rekonstruierten geladenen Teilchenspuren, deren Rate sehr linear von der Luminosität abhängt. Die Pixelmodule basieren auf dem Vertex Detektor Upgrade von LHCb bzw. dem Auslesechip TimePix4, der eine Weiterentwicklung des dort eingesetzten VeloPix Chips darstellt. Das komplexe Detektorsystem soll rechtzeitig zum Run 4 (2029) des LHCs in Betrieb genommen werden. Wir erwarten aus der Entwicklung, dem Bau und der Inbetriebnahme wichtige Erkenntnisse für zukünftige 4D Pixeldetektorsysteme gewinnen zu können wie sie im Run 5 des LHC zum Einsatz kommen sollen.
Der Beam Condition Monitor (BCM) sorgt im LHCb-Experiment für die frühe Erkennung von LHC-Strahlzuständen, welche eine Gefahr für die LHCb-Detektoren darstellen. Das von der Hardwaregruppe implementierte BCM System im LHCb-Experiment basiert auf der Stromauslese von zwei mal acht Diamantsensoren. Überschreiten die gemessenen Stromwerte ein kritisches Limit, wird ein Signal gesendet und der LHC-Strahl innerhalb kürzester Zeit sicher abgebrochen (Dump). Dieses BCM-System wurde von der Hardware-Gruppe in Run 1 und Run 2 des LHC in den Jahren 2008 bis 2018 sehr erfolgreich implementiert und betrieben. Mit dem LHCb-Upgrade wird auch das BCM System weitgehend erneuert. Die Diamantsensoren wurden durch fabrikneue, aufwendig getestete neue Diamantsensoren ersetzt. Die größte Neuerung betrifft allerdings ein neues FPGA basiertes Auslesesystem (MIBAD), welches im Rahmen einer Doktorarbeit realisiert wird.
Aus der Expertise im Bereich Diamantdetektoren sind Entwicklungsarbeiten hervorgegangen um zuverlässige, schnelle Strahlüberwachungssysteme für Medizin- und Forschungsbeschleuniger zu realisieren.
Für zukünftige Verbesserungen (Upgrade II) des LHCb-Detektors wird die Hardwaregruppe die Entwicklung und den Einbau von Pixeldetektoren für ein Inneres Spurkammersystem vorantreiben. Zentraler Baustein sind monolithische aktive Pixel-Sensoren, welche im Verbund mit Karlsruhe, Heidelberg, Liverpool und Bonn weiterentwickelt werden mit dem Ziel im Long Shut Down 3 ein erstes Mighty-Tracker-System im LHCb-Experiment zu installieren.