bibliografia | home

Zastosowanie detektorów półprzewodnikowych

1. Wykorzystanie detektorów półprzewodnikowych do celów naukowych

Zastosowanie detektorów mikropaskowych w fizyce eksperymentalnej można omówić na przykładzie dwóch dużych eksperymentów fizycznych: STAR i ALICE.
Eksperymenty STAR (Solenoid Tracker at RHIC) i ALICE (A Large Ion Collider Experiment) zostały zaprojektowane do badań zderzeń ciężkich jonów. Głównym ich celem jest poszukiwanie plazmy kwarkowo - gluonowej oraz badanie materii jądrowej przy bardzo dużych energiach i gęstościach.
Chromodynamika kwantowa przewiduje, że dopiero przy wysokich temperaturach (150 - 200 MeV) i gęstościach (1.5 - 2 GeV/fm³) może pojawić się przejście fazowe materii do postaci QGP. W tych warunkach siły działające między kwarkami są bardzo małe i dlatego możemy traktować je jak cząstki swobodne. Bezpośrednie wykrycie plazmy kwarkowo - gluonowej jest niemożliwe, przede wszystkim ze względu na istotę oddziaływań pomiędzy kwarkami. Oddziaływania te rosną wraz z odległością i powodują hadronizację stygnącej materii.
Poszukiwania nowego stanu materii rozpoczęły się w 1986 roku w dwóch ośrodkach naukowych Brookhaven National Laboratory (BNL) i European Laboratory for Particle Physics (CERN). Przeprowadzone eksperymenty nie pozwalały na powstanie warunków koniecznych do pojawienia się plazmy kwarkowo - gluonowej. Energie w nich uzyskiwane osiągały wartości 14 - 11 GeV/c na nukleon dla akceleratora AGS (BNL) w zderzeniach jonów krzemu i złota z kilkoma rodzajami tarcz oraz 60 - 200 GeV/c na nukleon w zderzeniach jonów tlenu, ołowiu i siarki z tarczą w akceleratorze SPS (CERN). Temperatury odpowiadające tym energiom nie przekraczały 140 MeV. Dopiero budowa nowych akceleratorów, tzw. zderzaczy (ang. collider), umożliwi wytworzenie QGP. Zasada ich działania oparta jest na użyciu dwóch przeciwbieżnych wiązek jonów, rozpędzanych do prędkości bliskich prędkości światła w osobnych jonowodach i zderzanych w detektorze. Dotychczas stosowano stałą tarczę, na którą kierowano rozpędzone cząstki. Nowe rozwiązanie umożliwi uzyskanie energii dotąd nie osiągalnych w eksperymentach fizyki wysokich energii. W obecnej chwili istnieje tylko jeden działający zderzacz jąder w BNL - RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), drugi jest budowany w CERNie - LHC (Large Hadron Collider); prawdopodobnie zostanie oddany do użytku w roku 2006.

EKSPERYMENT STAR
W eksperymencie STAR poszukuje się objawów powstawania plazmy
kwarkowo - gluonowej, a także bada się zachowanie silnie oddziałującej materii przy dużych gęstościach energii. Główny nacisk został położony na korelowanie wielu obserwabli w konwencji "przypadek za przypadkiem" (Event-by-Event). Ponieważ nie istnieją wielkości, które pozwalałyby z całą pewnością stwierdzić obecność QGP, należy posłużyć się właśnie korelacjami innych wielkości, aby zidentyfikować wyjątkowe zdarzenia i możliwe sygnały. Dlatego też projektanci detektora STAR (Solenoid Tracker at RHIC) dużo uwagi poświęcili na zbudowanie uniwersalnego urządzenia, rejestrującego wiele obserwabli hadronowych jednocześnie.
Eksperyment STAR wykorzystywał w pomiarach dwa aspekty oddziaływań hadronowych: silne rozpraszanie partonowe (kwarki i gluony) i korelacje globalnych wielkości, takich jak temperatura, geometria zderzenia, dynamika oddziaływań oraz fluktuacje entropii i gęstości energii. Pomiar wielkości globalnych umożliwia duża krotność powstających cząstek, średnio 700 na jednostkę rapidity ( wielkość wykorzystywana do opisu zachowania cząstki. Jest zdefiniowana jako gdzie pII jest składową pędu równoległą do wiązki, a E jest energią cząstki) w zderzeniach jądro - jądro [The STAR Collaboration, Conceptual Design Report, PUB-5347].
Program badań naukowych eksperymentu STAR determinuje parametry zastosowanych detektorów, umożliwiające identyfikację naładowanych cząstek, stworzenie efektywnych metod znajdywania torów cząstek i wydajną analizę pędu powstających cząstek. Algorytmy rekonstrukcji torów cząstek powinny być skuteczne w warunkach dużej krotności cząstek - 3000 w zakresie |η|<1 dla centralnych zderzeń jonów złota, z rozdzielczością 2 cm w odległości 2 m od punktu kolizji. Elementy identyfikacji cząstek powinny działać dla pionów/kaonów w przedziale pędów p < 0.7 GeV/c oraz kaonów/protonów w przedziale p < 1 GeV/c. Rozdzielczość urządzeń umożliwiających pomiar pędów powinna mieć wartości Δp/p~=0.02 dla p = 0.1 GeV/c i Δp/p~=0.05 dla p = 10 GeV/c [5].
Schemat detektora STAR został przedstawiony na rysunku. Układ był tak zsynchronizowany, aby zderzenie następowało w obrębie krzemowego detektora wierzchołkowego (SVT - Silicon Vertex Tracker). Cząstki powstałe w wyniku zderzenia poruszały się w jednorodnym polu magnetycznym, wytworzonym przez zewnętrzny nadprzewodzący elektromagnes solenoidalny. Dzięki temu tory cząstek zakrzywiły się, co umożliwiło ich identyfikację oraz określenie ich pędów. Detektor umożliwił pomiary pędów cząstek, które miały rapidity z zakresu |η|<2, przy pełnym pokryciu kątowym (Δφ= 2π). Identyfikacja cząstek została przeprowadzana dla |η|<1. Za pomiar pędów, detekcję torów cząstek i ich identyfikację odpowiadały detektor SVT i komora projekcji czasu (TPC - Time Projection Chamber). W układzie zainstalowane były także urządzenia służące do wyzwalania pomiaru w zależności od wykrytej geometrii zderzenia, a także kalorymetr umożliwiający pomiar energii w zderzeniach p - p, p - A i A - A.

(Źródło: The STAR Collaboration, The STAR Physics Handbook, http://www.star.bnl.gov)

Wierzchołkowy detektor krzemowy (SVT)
Detektor SVT w połączeniu z TPC wykorzystano do dokładnego wyznaczenia punktu zderzenia (tzw. pierwotny wierzchołek; jest to niezbędne do poprawnego odtworzenia torów cząstek), zwiększenia rozdzielczości rejestracji pędów i strat energii cząstek (dE/dx). Dzięki niemu możliwa była również lokalizacja wtórnych wierzchołków z dokładnością większą niż 100 mm i zwiększenie czułości detektora TPC w zakresie małych pędów.
Pierwotnie wierzchołkowy detektor krzemowy miał się składać z trzech cylindrycznych warstw oddalonych od punktu zderzenia o 5, 8 i 11 cm. Każda z warstw miała być podzielona na jeszcze dwie mniejsze. Cały układ miał zawierać 162 dryftowe detektory krzemowe (SDD - Silicon Drift Detector). Kolaboracja STAR postanowiła rozszerzyć możliwości SVT dodając do niego nową warstwę - krzemowy detektor paskowy (SSD - Silicon Strip Detector). Dodanie go miało na celu rozszerzenie możliwości pośredniej detekcji cząstek krótko żyjących, zwiększyć rozdzielczość rejestracji pędów i strat energii, co prowadzi do lepszego odtwarzania torów cząstek. Warstwa SSD oddalona była od punktu zderzenia o 23 cm i składała się będzie z 320 pojedynczych modułów krzemowych, zainstalowanych na dwudziestu specjalnych drabinkach wykonanych z włókna węglowego. Każdy z modułów złożony był z dwóch warstw pasków krzemowych, ułożonych pod kątem 35 mrad (kąt nie może być zbyt duży, aby nie było niejednoznaczności odczytu, ani za mały, aby nie zmniejszyć rozdzielczości) w stosunku do siebie. Dzięki temu możliwe było jednoczesne określenie dwóch współrzędnych punktu, w którym cząstka przeszła przez detektor.

EKSPERYMENT ALICE
Detektor ALICE
Głównym celem ALICE jest badanie zachowania materii jądrowej w wysokiej temperaturze i gęstości, a także poszukiwanie sygnałów powstania plazmy
kwarkowo - gluonowej. Podobnie jak w eksperymencie STAR duży nacisk został położony na pomiar wielu obserwabli jednocześnie, włączając w to pomiar parametrów globalnych zderzenia i sygnałów świadczących o powstaniu QGP. Późniejsza analiza tych wartości pozwoliła odtworzyć dynamiczną, przestrzenną i czasową ewolucję materii powstałej w czasie zderzenia, poznać gęstość energii w punkcie reakcji oraz zidentyfikować powstałe cząstki i określić ich trajektorie w detektorze. Dlatego też elementy detektora ALICE zostały zoptymalizowane pod kątem pomiaru cząstek o dużych pędach poprzecznych, produkcji dziwności i powabu, wzbudzonych fotonów świadczących o termicznej ewolucji układu
i identyfikacji większości naładowanych cząstek. Ponadto program eksperymentalny detektora ALICE obejmował badanie oddziaływań foton - foton (γ-γ) w zderzeniach dwóch protonów. Dla tak sformułowanych założeń eksperymentalnych identyfikacja cząstek powinna być większa niż 97% dla wszystkich naładowanych cząstek o pędach poprzecznych mniejszych niż 2GeV/c i mniejsza niż 0.02% dla p_t = 5 GeV/c. Separacja kaonów, pionów
i protonów powinna być rzędu 3σ [The ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC 95-71].

Detektor ALICE (A Large Ion Collider Experiment) [The ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC 95-71].

ALICE składa się zasadniczo z dwóch części: centralnej, składającej się z detektorów przeznaczonych do badania materii hadronicznej oraz zewnętrznego spektrometru mionowego, zaprojektowanego do badań oddziaływań międzykwarkowych w gęstej i gorącej materii. Centralna część pokrywa rapidity z zakresu |η| < 0.9, jest otoczona magnesem wytwarzającym słabe pole magnetyczne, które podobnie jak w detektorze STAR ma zakrzywiać tory naładowanych cząstek. Pierwszym detektorem w tej części jest ITS, składający się z sześciu warstw detektorów krzemowych, zaraz za nim jest TPC, PID i TOF. Poza tym są tu jeszcze dwa małe kalorymetry elektromagnetyczne - PHOS i detektor HMPID, zaprojektowany do identyfikacji cząstek o dużych pędach poprzecznych. Spektrometr mionowy, stanowiący część zewnętrzną, będzie pokrywał zakres rapidity równy η=2.4 - 4. Składa się on z absorbenta, magnesu dipolowego i urządzeń umożliwiających rejestrację przychodzących sygnałów. W skład ALICE wchodzą jeszcze detektory ZDC i FMD usytuowane w tunelu wiązki.
Detektor ALICE został tak zaprojektowany, aby móc jednocześnie dokonywać pomiarów wielu wartości charakteryzujących materie jądrową w niezwykle trudnych warunkach dużej krotności cząstek - 8000 naładowanych cząstek na jednostkę rapidity [The ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC 95-71], przy około 100 centralnych zderzeniach na sekundę w kolizjach wiązek jonów ołowiu. Takie warunki wymagają stworzenia wydajnych algorytmów rekonstrukcji torów cząstek.

Detektor ITS
Głównymi zadaniami detektora ITS (Inner Tracking System) są: detekcja wtórnego wierzchołka rozpadów hiperonów, identyfikacja i rekonstrukcja torów cząstek o małych pędach poprzecznych, które nie docierają do TPC. Ponadto ITS zwiększa wydajność identyfikacji cząstek o dużych pędach poprzecznych, umożliwia określenie kątów dla analiz interferometrycznych typu HBT i poprawia rozdzielczości pędowe dalszych elementów układu ALICE [The ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC 95-71]. Detektor składa się z sześciu warstw krzemowych, otaczających przewód z wiązką. Ilość warstw i ich odległości od punktu zderzenia zostały zoptymalizowane ze względu na prowadzone pomiary. Z powodu niezwykle dużej gęstości cząstek w detektorze ITS został on wyposażony w urządzenia detekcyjne o wysokiej rozdzielczości, krzemowe detektory pikselowe, dryfowe i paskowe. W eksperymencie STAR odpowiednikiem detektora ITS jest SVT.
Zastosowanie detektorów SSD w eksperymentach fizycznych
Dwustronne detektory paskowe mogą dokonywać pomiarów trzech ważnych wartości: dwóch współrzędnych punktu przejścia cząstki i strat energii cząstki (dE/dx). Wszystkie te wartości są niezwykle potrzebne w analizach danych eksperymentalnych. Zmierzone współrzędne są wykorzystywane w algorytmach rekonstruujących tory cząstek, a wartości dE/dx posłużą do identyfikacji i separacji cząstek. W tabelce poniżej zestawiono ilości zrekonstruowanych torów (symulacje dla eksperymentu STAR) w zależności od uwzględnionych w symulacjach detektorów i algorytmów.

Tabela 1. Zestawienie ilości zrekonstruowanych torów (symulacje dla eksperymentu STAR), dla starego algorytmu nie uwzględniającego dokładnie możliwości detektorów SSD [A. Boucham i inni, Proposal for a Silicon Strip Detecktor for STAR,STAR Note 400].

Tabela 2. Zestawienie ilości zrekonstruowanych torów (symulacje dla eksperymentu STAR), dla nowego algorytmu uwzględniającego możliwości detektorów SSD [A. Boucham i inni, Proposal for a Silicon Strip Detecktor for STAR,STAR Note 400].

Jak widać informacje uzyskane z warstw SSD mogą zwiększyć wydajności rekonstrukcji torów nawet o około 20%, tak więc zastosowanie tych układów jest celowe nawet mimo zwiększonej produkcji punktów duchów (punkty zrekonstruowane w miejscach, gdzie nie pojawiła się cząstka).

2. Inne wykorzystanie detektorów półprzewodnikowych