Testbeam characterization of a 3D silicon sensor read out by Timepix4

In het hart van de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider, botsen protonen tegen elkaar met bijna de snelheid van het licht. Deze botsingen creëren een chaotische storm van nieuwe deeltjes, maar om de fundamentele natuurwetten te begrijpen, moeten wetenschappers de paden van deze vluchtige fragmenten met extreme precisie volgen. Terwijl de versneller zich voorbereidt op een nog intensere fase van bedrijf, worden de detectoren die gebruikt worden om deze deeltjes op te vangen geconfronteerd met een enorme uitdaging: ze moeten onderscheid maken tussen botsingen die op exact hetzelfde moment plaatsvinden, gescheiden door slechts miljardsten van een seconde. Om dit te doen, ontwikkelen wetenschappers nieuwe soorten sensoren die fungeren als hogesnelheidscamera's, in staat om niet alleen vast te leggen waar een deeltje passeerde, maar ook exact wanneer het arriveerde. De sleutel tot deze toekomst ligt in een technologie genaamd 3D-siliciumsensoren, waarbij minuscule pilaren direct in de siliciumchip zijn geëtst om elektrische signalen op te vangen. Door de afstand die deze signalen moeten afleggen te verkorten, kunnen de sensoren veel sneller reageren dan traditionele platte chips, wat een blik biedt op een vierdimensionaal beeld van de subatomaire wereld.

Een team van onderzoekers heeft onlangs een van deze geavanceerde sensoren getest door deze te verbinden met een geavanceerde uitleeschip bekend als Timepix4 en een bundel hoogenergetische deeltjes erop af te vuren. Het doel was om te zien hoe goed deze specifieke combinatie de tijd en positie van passerende deeltjes kon meten onder verschillende omstandigheden. De sensor zelf is een dunne laag silicium van 300 micrometer dik, gevuld met een rooster van microscopische pilaren die fungeren als elektroden. Wanneer een geladen deeltje door het silicium raast, slaat het elektronen los, die vervolgens door deze pilaren worden opgevangen. De Timepix4-chip registreert de aankomsttijd van deze signalen met ongelooflijke granulariteit, tot op een fractie van een nanoseconde. De onderzoekers wisten echter dat de ruwe gegevens rommelig zouden zijn. De tijd die het kost om een signaal te registreren, hangt af van hoeveel lading het deeltje heeft gegenereerd, en de interne klokken van de chip kunnen van de ene naar de andere sectie licht afwijken. Om een echt beeld van de prestaties van de sensor te krijgen, moest het team zorgvuldig corrigeren voor deze variaties, door in feite de klok en de signaalsterkte voor elke individuele pixel op de chip te kalibreren.

De resultaten onthulden een apparaat dat opmerkelijk snel en nauwkeurig is, maar met een paar eigenaardigheden die afhangen van hoe het deeltje het raakt. Wanneer deeltjes de sensor recht van voren raakten, mat het team een tijdsresolutie van 245 picoseconden, wat betekent dat ze gebeurtenissen konden onderscheiden die gescheiden zijn door slechts een minuscuul deel van een miljardste van een seconde. De sensor bleek ook zeer efficiënt, waarbij 97 procent van de deeltjes die hem raakten werd gedetecteerd. De onderzoekers ontdekten echter dat de prestaties van de sensor niet uniform zijn over het oppervlak. De gebieden direct boven de kleine pilaren, waar het elektrische veld zwakker is, produceerden signalen die trager en minder precies waren. In contrast hiermee maakten de ruimtes tussen de pilaren veel snellere signaalverzameling mogelijk, met een tijdsresolutie die zo scherp als 153 picoseconden was voor de meest energetische hits. Dit verschil benadrukte dat de interne structuur van de sensor, in plaats van de uitleeschip, de belangrijkste factor was die de algehele snelheid beperkte.

Om de beperkingen van de pilaren te overwinnen en de algehele prestaties te verbeteren, draaide het team de sensor licht ten opzichte van de bundel. Ze ontdekten dat het kantelen van de sensor met slechts 8 graden het ideale punt was. Bij deze hoek reisden de deeltjes door meer van het actieve silicium tussen de pilaren, waardoor ze de tragere regio's vermeden. Deze eenvoudige aanpassing verhoogde de detectie-efficiëntie naar boven de 99 procent en verbeterde de tijdsresolutie met 6 procent, waardoor deze daalde naar 233 picoseconden. Het verscherpte ook de ruimtelijke resolutie, waardoor de sensor het pad van het deeltje kon lokaliseren tot binnen ongeveer 7 micrometer. Deze bevinding suggereert dat een kleine kanteling de capaciteit van de sensor om deeltjes te volgen in de drukke omgeving van een toekomstige collider aanzienlijk kan verbeteren.

De onderzoekers verkenden ook wat er gebeurt wanneer deeltjes de sensor onder een zeer flauwe hoek raken, waarbij ze bijna parallel aan het oppervlak reizen. Deze techniek stelde hen in staat de sensor op verschillende dieptes te beproeven, wat onthulde dat de timingprestaties variëren afhankelijk van hoe diep het deeltje reist. Nabij de boven- en onderkant van het oppervlak, waar het elektrische veld zwakker is, waren de signalen trager. Echter, in het middenstuk van de sensor, waar de pilaren volledig actief zijn, was de timing veel consistenter. Door de tijdsinformatie van vele pixels waar een enkel deeltje doorheen is gegaan te combineren, lieten het team zien dat zij de precisie verder konden verbeteren, waarbij ze een resolutie van 170 picoseconden bereikten voor grote groepen hits. Dit toonde aan dat zelfs met de inherente imperfecties van de sensor, slimme gegevensverwerking zeer nauwkeurige timinginformatie kan extraheren.

Uiteindelijk bevestigde de studie dat 3D-siliciumsensoren die worden uitgelezen door de Timepix4-chip een krachtig instrument zijn voor toekomstige deeltjesfysica-experimenten. Hoewel de interne structuur van de sensor voor enige ongelijkmatigheid in de prestaties zorgt, hebben de onderzoekers aangetoond dat dit beheerst kan worden door zorgvuldige kalibratie en door de hoek van de detector aan te passen. Het werk biedt een duidelijk stappenplan voor hoe deze sensoren geoptimaliseerd kunnen worden om aan de strenge eisen van de High Luminosity Large Hadron Collider te voldoen, waar het onderscheiden tussen miljarden botsingen detectoren zal vereisen die niet alleen nauwkeurig zijn in de ruimte, maar ook ongelooflijk snel in de tijd. De bevindingen bieden een solide fundament voor de volgende generatie tracking-apparaten, en bewijzen dat met het juiste ontwerp en de juiste aanpassingen, deze kleine siliciumchips het tempo kunnen bijhouden van de snelste gebeurtenissen in het universum.