Ein neues Herz für den Schweren

Neuer Pixeldetektor für CMS ermöglicht präzise Messungen bei noch größeren Datenmengen

Der neue Pixeldirektor wird direkt um das Strahlrohr in CMS eingesetzt. Bild: CERN

Seit heute hat der CMS-Detektor am Large Hadron Collider ein neues Herz. Der Pixeldetektor, der sich im Innersten von CMS befindet, wurde ausgetauscht. Durch dieses Upgrade des Spurdetektors ist CMS in der Lage, auch bei den immer höheren Kollisionsraten, die der LHC in den nächsten Jahren erreicht, präzise Messungen zu liefern. Wissenschaftler und Ingenieure von DESY, der Uni Hamburg, dem Karlsruher Institut für Technologie und der RWTH Aachen haben den neuen Detektor mit entwickelt.

CMS (oder Compact Muon Solenoid) ist mit einer Länge von 21 Metern und einem Durchmesser von 15 Metern einer der beiden großen Detektoren am LHC. Mit einem Gewicht von 14000 Tonnen ist er der schwerste Detektor, der jemals an einem Beschleuniger gebaut wurde, sogar doppelt so schwer wie der größere ATLAS-Detektor. CMS ist ein sogenannter Multifunktionsdetektor, das bedeutet, er kann unterschiedliche Eigenschaften verschiedenster Teilchen untersuchen. Dafür ist der Detektor aus verschiedenen Lagen aufgebaut, die jeweils zylinderförmig das Strahlrohr umschließen, in dem die Teilchen kollidieren. Jede Lage erfüllt eine andere Aufgabe bei der Untersuchung der Teilchen, die in den Kollisionen entstehen, und misst andere Eigenschaften oder andere Teilchen.

Die innerste Schicht, die sich direkt um das Strahlrohr legt, ist der sogenannte Spurdetektor oder Tracker. Hier werden die Bahnen von elektrisch geladenen Teilchen wie Elektronen oder Myonen gemessen. Dadurch kann man ermitteln, in welche Richtung die Teilchen fliegen und welchen Impuls sie haben. Der Tracker besteht komplett aus Silizium. Wenn ein geladenes Teilchen einen Messpunkt passiert, stößt es Elektronen aus den Siliziumatomen. Das führt zu einer geringen Spannungsänderung im Material, die der Detektor registriert und anzeigt, wann die Teilchen welche Abschnitte passieren. Der Tracker besteht aus einem Pixeldetektor, dessen Lagen nur wenige Zentimeter vom Strahlrohr entfernt sind, und einem Streifendetektor, der dahinter liegt.

Insbesondere der Pixeldetektor ist während der Teilchenkollisionen einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt, weshalb das Material nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden muss. Außerdem ist die Datenmenge, die hier verarbeitet werden muss, besonders hoch. Da im Laufe des Betriebs des LHC die sogenannte Luminosität, also die Zahl der Teilchenkollisionen in einem gewissen Zeitraum, immer weiter ansteigt, steigt die Anzahl der Daten, die der Detektor weitergibt, stark an. Jetzt ist ein Punkt erreicht, an dem der Pixeldetektor die Daten nicht mehr effizient verarbeiten kann, was dazu führt, dass die Teilchenspuren nicht mehr so präzise rekonstruiert werden können. Deshalb wurde in der momentan laufenden Betriebspause, dem Extended Year End Technical Stop (EYETS) ein neuer Pixeldetektor eingebaut.

Der neue Pixeldetektor weist dabei einige Verbesserungen gegenüber seinem Vorgänger auf. Der alte Pixeldetektor bestand aus drei Lagen, die sich zylindrisch um das Rohr befinden und jeweils zwei Lagen, die an beiden Seiten des Kollisionspunkt waren. So sollte jedes Teilchen mindestens an drei Messpunkten gemessen werden, um eine Bahn rekonstruieren zu können. Jetzt umschließen vier Lagen das Strahlrohr, an beiden Enden sind jeweils drei Lagen. Dadurch werden die Teilchen in den meisten Fällen an vier Messpunkten registriert. Auch die Anzahl der Pixel erhöht sich enorm. Waren es bereits zuvor 66 Millionen Pixel, sind es jetzt insgesamt auf allen Lagen zusammengezählt 124 Millionen. Der neue Pixeldetektor ist aus einem leichteren und widerstandsfähigeren Material aufgebaut und mit leistungsfähigeren Computerchips ausgerüstet, die die Daten der Kollisionen schneller verarbeiten können. Zusätzlich kühlt ein neues, effektiveres System den Detektor.

Teams aus vielen Ländern haben die einzelnen Komponenten entwickelt, die dann am CERN zusammengebaut wurden. Die momentan laufende Betriebspause des LHC wurde genutzt, um erst den alten Pixeldetektor auszubauen und dann den neuen einzusetzen. Die Deutschen Gruppen haben unter anderem die vierte zylindrische Lage entwickelt. Der neue Pixeldetektor soll bis voraussichtlich 2023 weiter präziseste Messungen für neue Entdeckungen ermöglichen. Dann soll der gesamte Tracker ausgetauscht werden, um mit der noch höheren Luminosität des Hi-Lumi LHC mithalten zu können.