The ATAR, a dense and compact vertex detector for the PIONEER experiment

Resumo Técnico: O ATAR para o Experimento PIONEER

Definição do Problema
O experimento PIONEER no Paul Scherrer Institut (PSI) visa medir a razão de ramificação do píon carregado para elétrons versus múons ($R_{\pi}^{e/\mu}$) com uma precisão de 0,01%. Este alvo representa uma melhoria de uma ordem de magnitude em relação à média mundial atual, que é dominada pelos resultados da colaboração PiENu de mais de uma década atrás. O principal desafio para atingir essa precisão é a "fração de cauda" (tail fraction) de eventos: aproximadamente 1% dos decaimentos diretos $\pi^+ \to e^+ \nu$ (que produzem um pósitron monoenergético de 69 MeV) são reconstruídos com energia abaixo do limiar de análise devido à coleta incompleta de chuveiro no calorímetro (por exemplo, vazamento lateral ou interações com o material). Para atingir a meta de 0,01%, essa fração de cauda deve ser determinada com precisão de 1%. Além disso, o experimento requer uma alta taxa de parada de píons de 300 kHz, o que leva a um empilhamento (pile-up) significativo, onde múltiplas cadeias de decaimento estão ativas simultaneamente, necessitando de um detector capaz de resolver sinais sobrepostos no tempo e no espaço.

Metodologia e Design do Detector
O aparato PIONEER centra-se em dois componentes principais: um calorímetro de cristal LYSO de alta resolução e altamente segmentado e um alvo ativo denso, compacto e totalmente instrumentado conhecido como ATAR (Active Target).

• A Estrutura do ATAR: O ATAR é uma pilha de 2 cm $\times$ 2 cm $\times$ 6,6 mm composta por 48 sensores de tiras de LGAD (Low Gain Avalanche Detector). Cada sensor é um detector de tiras de silício isolado por trincheira (2 $\times$ 2 cm², 120 $\mu$m de espessura) contendo 100 microtiras com um passo (pitch) de 200 $\mu$m. Para alcançar o rastreamento posicional 3D, planos de sensores adjacentes são rotacionados em 90°. O silício inativo é minimizado, restando apenas cerca de 5 $\mu$m de substrato de suporte.
• Processamento de Sinal e Temporização: O design aproveita o rápido tempo de subida dos LGADs para alcançar uma precisão de temporização de ~200 ps. Ao registrar formas de onda completas, o sistema visa resolver pares de pulsos separados por tão pouco quanto 2 ns. Essa capacidade é crítica para distinguir uma parada de píon de seus produtos de decaimento subsequentes dentro do mesmo canal.
• Eletrônica de Leitura: Para não interferir na medição de energia do calorímetro, a eletrônica de leitura é colocada a montante, fora do ângulo de aceitação do calorímetro. O sistema utiliza:
  • Amplificação: Chips analógicos FAST3 (16 canais cada) com ganho ajustável para distinguir Partículas com Perda Mínima de Energia (MIPs), píons/múons em movimento e paradas de partículas.
  • Digitalização: Duas estratégias estão sendo avaliadas. A primeira utiliza o chip HD-SoC (Nalu Scientific) amostrando a 1–2 Gs/s com um buffer longo (2048 amostras). A segunda emprega o sistema Sampic (IJCLab Orsay) com taxas de amostragem ultra-altas (1,6–10 Gs/s), mas buffers mais curtos, utilizando o encadeamento (daisy-chaining) para re-disparar e capturar múltiplos pulsos dentro de uma janela curta.
• Reconstrução de Eventos: O sistema utiliza medições de altura de pulso para identificar depósitos de energia específicos: ~14 MeV para um píon em parada, ~4,1 MeV para um múon em parada, e uma distribuição distinta para um pósitron em trânsito. A reconstrução de topologia, incluindo depósitos de energia por hit, está sendo investigada tanto por abordagens baseadas em regras quanto por técnicas de transformer para rejeitar o background.

Principais Contribuições e Status de Desenvolvimento
O artigo detalha o design e o status de desenvolvimento do ATAR conforme o final de 2026. As principais contribuições incluem:

• Validação de Protótipo: O artigo relata o protótipo "ATAR 8", uma pilha de 8 a 10 camadas de sensores programada para testes na linha de feixe piM1 do PSI em dezembro de 2026. Este protótipo usa sensores de 10 $\times$ 10 mm² com 48 tiras, montados costas com costas em estruturas de FR-4 com cabos flexíveis de 15 cm.
• Produção de Sensores: A primeira produção específica para o PIONEER de sensores de tiras de 2 $\times$ 2 cm² está em andamento na FBK, com entrega prevista para o início de 2027.
• Caracterização de Não-Linearidade: O artigo observa que os LGADs exibem supressão de ganho (não-linearidade) dependente da concentração de carga e do ângulo de impacto. Embora um modelo de lei de potência ajuste trajetórias que atravessam o sensor, o comportamento em relação a grandes depósitos de carga local (como paradas de múons) está programado para investigação em um teste de feixe em 2026.

Resultados e Alegações
O artigo apresenta projeções de design e resultados iniciais de simulação, em vez de dados experimentais finais.

• Rejeição de Background: Simulações e resultados iniciais sugerem que a seleção de eventos com um depósito característico de parada de píon seguido por um depósito de pósitron correspondente pode preservar 80% dos eventos $\pi^+ \to e^+ \nu$ enquanto reduz o background de decaimento de múon em repouso em três ordens de magnitude.
• Tratamento de Pile-up: A combinação de temporização rápida e segmentação espacial projeta fornecer um fator de rejeição de 160 para a cadeia de decaimento $\pi \to \mu \to e$, mantendo ~60% dos eventos diretos de $\pi \to e$. A reconstrução de topologia completa oferece um fator adicional de 500 em poder de rejeição.
• Desempenho de Digitalização: Testes do chip HD-SoC a 1 Gs/s mostraram boa linearidade, embora haja uma probabilidade estimada de 8% de falha em resolver dois pulsos consecutivos dentro de uma janela de 2 ns.

Significância
O artigo posiciona o ATAR como a inovação crítica que permite ao experimento PIONEER atingir seus objetivos de precisão. Ao fornecer temporização precisa, informação espacial e dados de altura de pulso, o ATAR permite a identificação rigorosa e a subtração dos eventos de "fração de cauda" que limitaram a precisão das medições anteriores. O funcionamento bem-sucedido do protótipo ATAR 8 no final de 2026 é apresentado como um passo necessário para o início faseado do experimento completo após o upgrade do HIPA do PSI, visando finalmente fornecer uma sonda da universalidade leptônica e uma determinação mais precisa dos elementos da matriz CKM via decaimento beta do píon em fases posteriores.