Leakage current evolution in LHCb VELO sensors during Run 1-2 LHC data taking period

In het hart van de Large Hadron Collider, waar protonen botsen met snelheden die de lichtsnelheid benaderen, houdt een gespecialiseerd experiment genaamd LHCb nauwlettend toezicht om het gedrag van zware-quark-deeltjes te begrijpen. Om deze vluchtige deeltjes te kunnen zien, vertrouwt het experiment op een delicate laag siliciumsensoren die slechts enkele millimeters verwijderd zijn van het botsingspunt. Deze sensoren fungeren als hogesnelheidscamera's die de banen van deeltjes vastleggen terwijl ze uit de botsing wegvliegen. Echter, het leven zo dicht bij de bundel is een hard bestaan. De sensoren worden constant gebombardeerd door een storm van subatomaire deeltjes, een bombardement dat de interne structuur van het siliciumkristal langzaam beschadigt. Deze schade vernietigt de sensoren niet onmiddellijk, maar verandert de manier waarop ze werken, waardoor ze zelfs wanneer er geen deeltjes passeren, een kleine, constante elektrische stroom laten lekken. Deze lekstroom groeit in de loop der tijd, en als deze te groot wordt, kan het het vermogen van de sensor om de werkelijke signalen te zien overweldigen, wat de camera effectief blind maakt. Het precies begrijpen van hoe deze stroom groeit, en waarom, is essentieel om deze sensoren in leven te houden en om te voorspellen hoe toekomstige detectoren zullen overleven in zulke extreme omgevingen.

Een team van onderzoekers heeft onlangs jarenlang de geschiedenis van deze sensoren tijdens de eerste twee grote runs van de collider geanalyseerd, een periode die liep van 2011 tot 2018. Ze verzamelden een enorme hoeveelheid gegevens en legden de temperatuur en de elektrische stroom van elke afzonderlijke sensormodule gedurende acht jaar vast. Hun doel was om een veelgebruikt voorspellingsmodel te testen, bekend als het Hamburg-model, dat probeert te berekenen hoeveel schade straling veroorzaakt en hoe die schade de elektrische stroom verandert. Door de voorspellingen van het model te vergelijken met de werkelijke, continue records van de sensoren, kon het team zien of hun begrip van strolingsschade accuraat was of dat er iets ontbrak in het plaatje.

De onderzoekers ontdekten dat het model over het algemeen erg goed werkte. Het voorspelde succesvol de algemene vorm van de groei van de lekstroom in de loop van de tijd, inclus_ief de perioden waarin de collider werd uitgeschakeld voor onderhoud. Tijdens deze pauzes koelden de sensoren af, en de schade binnen het silicium herstelde zich gedeeltelijk, waardoor de stroom daalde. Het model legde dit herstelgedrag, bekend als annealing, met indrukwekkende precisie vast. Wanneer het team echter nauwkeuriger keek, merkten ze een consistente kloof op tussen wat het model voorspelde en wat de sensoren daadwerkelijk rapporteerden. De sensoren lekten meer stroom dan het model verwachtte, zelfs na rekening te houden met de bekende variabelen.

Bij nadere inspectie realiseerde het team zich dat de schuld waarschijnlijk bij de temperatuurmetingen zelf lag. De sensoren worden gekoeld door een systeem dat ze op ongeveer min acht graden Celsius houdt, maar de minuscule thermometers die deze temperatuur meten, zijn niet direct op het siliciumkristal geplaatst. In plaats daarvan zitten ze op de omliggende elektronica. Omdat het silicium tijdens de werking iets warmer wordt dan de nabijgelegen componenten, rapporteerden de thermometers een temperatuur die enkele graden lager was dan de werkelijke temperatuur van het kristal. Omdat elektrische lekkage extreem gevoelig is voor temperatuur, leidde dit kleine verschil in meting tot een aanzienlijke fout in de berekeningen. Toen de onderzoekers hun gegevens aanpasten om een temperatuur te reflecteren die 3,2 graden hoger was dan wat de thermometers lieten zien, verdween de kloof tussen de voorspelling en de realiteit bijna volledig. Het model en de metingen kwamen perfect overeen, wat bevestigde dat de fysica van de schade begrepen werd, maar dat de omgevingsgegevens een kleine correctie nodig hadden.

Er bleef één puzzel over. De onderzoekers verwachtten dat sensoren dichter bij het centrum van de bundel veel meer schade zouden oplopen dan de sensoren die verder weg liggen, simpelweg omdat ze door meer deeltjes worden geraakt. Hoewel deze trend zichtbaar was, was het verschil tussen de sensoren niet zo dramatisch als de computersimulaties hadden voorspeld. Het model suggereerde dat de schade sterk zou afnemen met de afstand, maar de echte sensoren vertoonden een meer geleidelijke verandering. Het team herleidde deze discrepantie niet naar het schade-model zelf, maar naar de simulatie die werd gebruikt om te schatten hoeveel deeltjes elke sensor raken. Het computerprogramma dat de deeltjesstorm berekende, gebaseerd op complexe natuurkunde over hoe deeltjes interageren met materie, leek het aantal deeltjes dat de buitenste sensoren bereikte, te onderschatten. Dit suggereert dat hoewel de theorie over hoe straling silicium beschadigt solide is, de instrumenten die worden gebruikt om precies te voorspellen waar en hoeveel schade optreedt in een dergelijk complexe omgeving, nog verfijning behoeven.

Deze studie onderstreept het belang van langdurige monitoring in de praktijk binnen de hogere fysica. Door acht jaar lang continu gegevens te verzamelen, waren de onderzoekers in staat om subtiele patronen te ontdekken die kortetermijntesten over het hoofd zouden hebben gezien. Ze bewezen dat het standaardmodel voor strolingsschade robuust is, mits de temperatuur nauwkeurig wordt gemeten. Ze identificeerden ook een specifieke zwakte in de simulatietools die worden gebruikt om de stralingsomgeving in kaart te brengen, een bevinding die zal helpen bij het verbeteren van het ontwerp van toekomstige detectoren. Terwijl wetenschappers de volgende generatie experimenten plannen, die te maken zullen krijgen met nog intensere straling, zorgen deze lessen ervoor dat hun siliciumsensoren worden gebouwd met een helderder begrip van de barre omstandigheden waaraan zij moeten standhouden.