Pixel heute und morgen

Nina Krieger mit „ihrem" Pixel Detektor im Labor der Uni Göttingen.

Die Detektoren am LHC sind fertig gebaut, installiert und bereits kräftig dabei, Daten zu nehmen. Warum sollten sich die Forscher also heute mit Detektor-Hardware beschäftigen? Sollten sie nicht lieber nur Daten nehmen und analysieren? Nina Krieger sagt ganz klar: „Nein!“. Sie beschäftigt sich derzeit mit dem Pixel-Detektor von ATLAS – und zwar sowohl mit dem aktuellen als auch mit seinem geplanten Ausbau. „In ein paar Jahren muss der aktuelle Pixel-Detektor erweitert werden, er ist einfach nicht strahlenhart genug“, erklärt Krieger. Der Pixel-Detektor ist der innerste Teildetektor des ATLAS-Experiments. Nur fünf Zentimeter ist seine innerste Lage von dem Ort entfernt, an dem die Protonen aufeinander treffen – und das bis zu vierzig Millionen Mal in der Sekunde.

Damit ist der Pixel-Detektor der innerste der so genannten Spurdetektoren. Mit diesem Teildetektor wird die Spur der Teilchen, die in den Kollisionen entstehen, durch den Detektor genau verfolgt und aufgezeichnet. Mit Hilfe dieser Informationen können die Wissenschaftler später die Eigenschaften der Teilchen bestimmen.

Dadurch, dass der Pixel-Detektor so dicht am Strahlrohr liegt, ist er hohen Belastungen ausgesetzt: Ständig treffen Teilchen in großen Mengen und mit hoher Energie auf die Halbleiter-Chips des Pixel-Detektors. Um diese riesigen Datenmengen schnell auslesen zu können verfügt der Pixel-Detektor über achtzig Millionen Auslesekanäle. Doch die vielen Teilchen bedeuten nicht nur hohe Datenmengen, sie können durchaus auch Schäden im Detektor hinterlassen. „Es war von Anfang an klar, dass der Pixel-Detektor während der Laufzeit des LHC ein Upgrade bekommt“, sagt die Forscherin von der Universität Göttingen. An diesem Upgrade, das aus einer weiteren besonders strahlenharten Detektorlage – dem so genannten B-Layer – besteht, arbeitet Krieger mit. „Allerdings nur an einem ganz kleinen Teil“, erklärt sie bescheiden. Aber auch die kleinsten Beiträge sind wichtig. Schließlich soll der B-Layer bereits 2016 ausgetauscht werden – so richtig viel Zeit bleibt da nicht. Zumal dieser neue Teil des ATLAS-Pixel-Detektors noch größere Herausforderungen meistern muss: Er soll noch dichter am Kollisionspunkt montiert werden als die aktuelle innerste Lage – weniger als vier Zentimeter wird der Abstand zum Strahlrohr betragen. Damit steigen auch die Anforderungen an die Strahlenhärte enorm.

Grafik des ATLAS-Pixel-Detektors.

Foto: ATLAS

Viele Universitäten und Forschungseinrichtungen in Deutschland und weltweit sind sowohl an der Entwicklung des aktuellen als auch des neuen Pixel-Detektors beteiligt. Nicht nur die Entwicklung der neuen Teile steht damit auf dem täglichen Programm, sondern auch der aktuell im ATLAS-Detektor eingebaute Pixel-Detektor. Eine Möglichkeit sehr direkt am Pixel-Detektor mitzuarbeiten sind daher „Data Quality Offline Schichten“. „Da kontrolliere ich quasi, ob die Daten, die während einer Messung genommen wurden, verwendbar sind. Also ein Check, ob der Pixel-Detektor auch zuverlässig funktioniert hat“, sagt Krieger. Diese Schichten können von jedem Computer mit Internetzugang gemacht werden und sind eine Aufgabe, die einen dann auch am Wochenende beschäftigt: Die Runde für die Offline-Schichten beginnt am Mittwoch und endet am Dienstag. Jeden morgen um viertel nach acht gibt es dann die Information, ob es Daten gibt, die geprüft werden müssen. Nur wenn sie keine Schichten zu leisten hat, kann sich Krieger voll und ganz „ihrem“ Pixel-Detektor widmen. Einem kleinen Aufbau in einem Labor an der Uni Göttingen.

Der aktuelle Pixel-Detektor der ATLAS-Experiments während der Montage.

Foto: CERN

Bereits im nächsten längeren Shutdown 2012 beginnen die ersten Vorbereitungen für die Erweiterung des Pixel-Detektors. Der vollständige Einbau des B-Layers soll dann 2016 folgen. Für diesen Umbau ist ein ganzes Jahr eingeplant: Um die zusätzliche Pixel-Lage einzusetzen zu können, muss dann auch das Strahlrohr an dieser Stelle ausgetauscht werden.

Aber nicht nur ATLAS wird den längeren LHC-Shutdown in 2016 für Umbauarbeiten nutzen, auch bei den anderen drei Experimenten sind Umbau und Erweiterungsmaßnahmen geplant – schließlich wollen alle das beste aus „ihren“ Detektoren herausholen.