100 Megapixel-Kamera für CMS

Die einzelnen Module des zukünftigen CMS-Pixel-Detektors hinter Glas.

Mit seinen 21 Metern Länge, einem Durchmesser von 15 Metern und einem Gewicht von rund 14 000 Tonnen ist das Experiment Compact Muon Solenoid (CMS) am CERN der schwerste Teilchendetektor, der jemals an einem Beschleuniger gebaut wurde.

Die Wissenschaftler rund um CMS sind mit Hilfe des Experiments auf der Suche nach neuen Teilchen wie dem 2012 entdeckten Higgs-Teilchen, supersymmetrischen Teilchen, Gravitonen oder sogar mikroskopisch kleinen schwarzen Löchern. CMS ist ein großer und technisch hoch entwickelter Detektor, der aus mehren Lagen besteht, die wie die Schalen einer Zwiebel um den Kollisionspunkt angeordnet sind. Jede seiner Lagen übernimmt eine spezielle Aufgabe. Zusammen ermöglichen die Lagen den Wissenschaftlern die entstehenden Teilchen zu identifizieren und ihre Energien und Impulse genau zu vermessen. Damit der Detektor jedoch in den nächsten Jahrzehnten weiterhin präzise Rekonstruktionen der „Ereignisse“ (also alles, was während und nach einer Kollision zweier Teilchen passiert) sicherstellen kann, werden in mehreren Stufen die Einzelteile des Detektors erneuert. Eines der nächsten Teile liegt im inneren von CMS verborgen: der Silizium-Pixel-Detektor.

Der Pixel-Detektor ist ein Teil des sogenannten Spurendetektors (Tracker), er befindet sich im Kern des Experiments und umgibt das Strahlrohr und den Ort, an dem die Kollisionen stattfinden. Er ermöglicht die Rekonstruktion von Teilchenspuren und die Bestimmung der Impulse der Teilchen. Darüber hinaus kann man durch den Spurendetektor auch die Zerfallsorte von langlebigen, instabilen Teilchen ermitteln. Der DESY-CMS-Wissenschaftler Daniel Pitzl erklärt: „Aufgrund seiner Nähe zum Strahlrohr ist der Pixeldetektor sehr wichtig zur Identifikation neuer Teilchen. Jedoch verursacht der hohe Teilchenfluss – also radioaktive Strahlung - an der Strahlachse eine kurze Lebensdauer des Detektors. Somit müssen diese Teile nach einiger Zeit ausgetauscht werden.“

Eins von 250 neuen Pixelmodulen.

Der derzeitige Silizium-Pixel-Detektor ist für die ursprünglich bei LHC zu erwartenden Kollisionsraten ausgelegt. Allerdings hat sich herausgestellt, dass der Detektor bei Kollisionsraten, die höher sind als ursprünglich geplant, die vielen Teilchen nicht mehr präzise rekonstruieren kann. Im Moment hat der LHC die ursprünglich geplante Luminosität von 1034 Teilchen pro Quadratzentimeter und Sekunde erreicht und wird voraussichtlich schon dieses Jahr eine höhere Luminosität erreichen. (Luminosität beschreibt die Anzahl der Teilchenbegegnungen pro Zeit und Fläche.)

Aus diesem Grund haben sich die CMS-Wissenschaftler dazu entschlossen einen neuen Detektor zu entwickeln: den „Phase 1 Upgrade“-Detektor. Dieser Detektor ist genau wie der erste ein Silizium-Pixel-Detektor. Allerdings besitzt er im Gegensatz zu seinem Vorgänger eine Modullage mehr – nämlich vier zentrale Lagen mit insgesamt 1184 Modulen und drei statt zwei Endkappen. Die vier Modullagen werden von unterschiedlichen am CMS Experiment beteiligten Instituten aus verschiedenen Ländern hergestellt. Die innersten beiden Lagen, also die Lagen direkt um das Strahlrohr, stammen vom Schweizer PSI in Zusammenarbeit mit den Schweizer Universitäten, die dritte Lage an Modulen wurde am CERN und in Italien durch mehrere am CMS Experiment beteiligte Institute produziert. Die vierte Lage mit 512 Modulen stammt zur Hälfte vom KIT in Karlsruhe in Zusammenarbeit mit der RWTH in Aachen, die zweite Hälfte wurde bei DESY in Hamburg in Zusammenarbeit mit der Universität Hamburg hergestellt. „Durch die Erneuerung der Module ist es uns gelungen jedem einzelnen Modul einen doppelt so großen Speicherplatz einzubauen und darüber hinaus die Ausleserate um das doppelte zu erhöhen“, so Pitzl. Alle Lagen werden am PSI zum neuen Pixeldetektor zusammengefügt und nach ausführlichen Tests am CERN in den Detektor eingebaut.

Für die CMS Wissenschaftler dürfte es diesen Winter noch richtig spannend werden, wenn der neue Silizium-Pixel-Detektor seinen neuen Platz rund um das CMS-Strahlrohr einnimmt. Das ist für die Betriebspause zum Jahreswechsel geplant.