Charge sharing and alignment performance of bent ALPIDEs measured with low-energy protons

Résumé technique : Partage de charge et performance d'alignement des ALPIDEs courbées mesurées avec des protons de basse énergie

Énoncé du problème
L'expérience ALICE au LHC prévoit une mise à niveau de son système de suivi interne (ITS3), ce qui implique le remplacement des couches les plus internes par des capteurs CMOS Monolithiques à Pixels Actifs (MAPS) de l'échelle d'une tranche (wafer-scale) et courbés. Bien que des études antérieures aient confirmé que des capteurs de silicium minces peuvent être courbés jusqu'à des rayons aussi petits que 18 mm sans défaillance mécanique, il manquait des données expérimentales concernant la performance du capteur sous des conditions de perte d'énergie élevée, typiques du suivi de particules à faible impulsion. Il était notamment inconnu si la courbure induit des changements dans le partage de charge et les propriétés de formation de clusters, qui sont critiques pour l'identification des particules (PID). De plus, l'alignement de géométries de détecteurs cylindriques avec un échantillonnage de traces limité (peu de couches) sur la limite de diffusion multiple sans détecteurs de référence externes constituait un défi non testé.

Méthodologie
Pour répondre à ces questions, les auteurs ont mené une expérience en cible fixe au Centre du Cyclotron de Bronowice en utilisant des faisceaux de protons de 80 MeV, 120 MeV et 200 MeV.

• Configuration du détecteur : La configuration utilisait cinq puces ALPIDE courbées (le type de capteur utilisé dans l'ITS2 d'ALICE) montées sur des supports cylindriques imprimés en 3D avec des rayons de courbure de 18 mm, 24 mm et 30 mm. Les capteurs étaient disposés dans une géométrie de télescope à deux bras orientés vers une cible.
• Cible : La cible consistait en un réseau de onze fibres de polypropylène disposées en une grille hexagonale afin de faciliter la reconstruction des événements de diffusion élastique proton-proton ($p,p$).
• Déclenchement et lecture : Les événements étaient déclenchés par deux scintillateurs CsI(Tl) positionnés derrière les bras du tracker pour assurer la sélection des événements de diffusion élastique. Les données ont été acquises via le framework EUDAQ2 et traitées avec le framework d'analyse Corryvreckan.
• Stratégie d'analyse :
  • Partage de charge : Les tailles de clusters ont été analysées à travers différentes énergies de faisceau et différents rayons de courbure. Les tailles de clusters brutes ont été normalisées par le cosinus de l'angle d'impact de la trace pour tenir compte des variations de longueur de trajet. Un modèle phénoménologique supposant un profil de diffusion de charge gaussien 2D a été ajusté aux données pour décrire l'évolution de la taille des clusters avec le dépôt d'énergie.
  • Alignement : En raison de la perte d'un bras de capteur (ne laissant que deux capteurs sur le bras gauche), une minimisation standard des résidus de trace était impossible. À la place, les auteurs ont développé des algorithmes d'alignement personnalisés :
    1. Pré-alignement : Utilisation de la contrainte cinématique de la diffusion élastique $p,p$ (coplanarité des traces sortantes avec l'axe du faisceau) pour corriger les degrés de liberté azimutaux.
    2. Minimisation : Un algorithme basé sur la bisection a minimisé la distance médiane de plus proche approche (DCA) entre les deux traces de protons reconstruites afin d'optimiser les degrés de liberté de translation et de rotation.
  • Validation : Les résultats expérimentaux ont été comparés à des simulations Geant4 incluant les effets de diffusion multiple et un étalement réaliste de la résolution des capteurs.

Contributions clés

• Caractérisation de la perte d'énergie élevée : Cette étude constitue la première investigation expérimentale de capteurs MAPS courbés sous des conditions de perte d'énergie élevée (protons de basse énergie), allant au-delà des études précédentes sur les particules ionisantes minimales (MIP).
• Stratégie d'alignement pour les géométries cylindriques éparses : Le papier démontre une méthode viable pour aligner des réseaux de détecteurs cylindriques avec un nombre limité de couches (2 à 3 couches par bras) sans détecteurs de référence externes, en s'appuyant uniquement sur des contraintes cinématiques et la minimisation de la DCA.
• Modélisation phénoménologique : Un modèle paramétré pour l'évolution de la taille des clusters avec le dépôt d'énergie dans les capteurs courbés a été développé et validé par rapport aux données.

Résultats

• Partage de charge et clustering : Aucune dépendance statistiquement significative de la taille des clusters ou du partage de charge vis-à-vis du rayon de courbure (18 mm, 24 mm, 30 mm) n'a été observée. Les distributions de taille de clusters pour les événements à haute perte d'énergie suivaient les mêmes tendances que celles observées pour les MIP dans des configurations plates. La dépendance de la taille des clusters par rapport au seuil est restée cohérente à travers tous les rayons.
• Performance d'alignement : La procédure d'alignement personnalisée a réussi à réduire le désalignement systématique. Pour les données du faisceau de 200 MeV, la largeur de la DCA du vertex reconstruit a été mesurée à $(80,5 \pm 4,6)$ $\mu$m.
• Comparaison avec la simulation : La largeur de la DCA mesurée concordait avec la simulation Geant4 de la limite de diffusion multiple, qui prédisait $(80,5 \pm 1,6)$ $\mu$m. La différence de 0,04 $\mu$m est bien en deçà de l'incertitude statistique combinée, indiquant que la résolution atteinte est limitée par la physique (diffusion multiple) plutôt que par un désalignement résiduel ou des défauts de capteur.
• Résolution angulaire : Les angles d'ouverture mesurés des protons diffusés correspondaient aux attentes de la simulation à 1 mrad près, confirmant la précision angulaire de la géométrie courbée.

Signification
L'article conclut que le fait de courber les capteurs ALPIDE à des rayons pertinents pour la mise à niveau de l'ITS3 (jusqu'à 18 mm) n'altère pas les performances de partage de charge ou de clustering, même sous des conditions de dépôt d'énergie élevée. De plus, le succès de l'alignement du détecteur courbé à la limite de diffusion multiple démontre que les géométries de capteurs MAPS cylindriques peuvent atteindre une précision de vertex élevée sans détecteurs de référence externes. Ces conclusions soutiennent la faisabilité de l'utilisation de capteurs CMOS MAPS courbés de la taille d'une tranche pour les futures expériences de physique des hautes énergies et nucléaire, particulièrement celles nécessitant de faibles budgets de matière et une haute résolution de l'impact parameter, telles que la mise à niveau de l'ITS3 et les expériences de cinématique inverse comme R3B et Samurai.