Research and development of Micromegas detectors for New Physics searches

Abstract

The operation of the Large Hadron Collider (LHC) and its experiments have confirmed the existence of particles with their measurements. One of the last outstanding results was the discovery of the Higgs boson in 2013. The accelerated particles should interact with even higher energies to discover indices of New Physics beyond the Standard Model. Due to this demand, the accelerator will be upgraded to the High-Luminocity LHC. In this new status, the particles will interact with energy up to 14 Tev at the centre of mass, and the beam's luminosity will reach up to L = 7x10^34 cm^-2s^-1. The present detecting technologies will not cope in such demanding circumstances. An upgrade of the existing detectors is mandatory for the smooth operation of the experiments. Moreover, further research and development in the detectors domain are necessary for future experiment upgrades.The ATLAS experiment, a general-purpose high luminosity experiment at the LHC, concluded to upgrade its muon spectrometer. This decision was made, as the old detecting system will not be sufficient to manage the high demands of the HL-LHC era, especially for regions nearby the interaction point. These areas of the spectrometer were occupied by the New Small Wheels, which was constituted of MDT, CSC, and TGC detectors. Studies have shown that all these detecting technologies are inadequate to reduce the false triggers for luminosity much higher than now (the existing system suffers from 90% background signals). Moreover, the reconstruction of charged traversing particles tracks will be inaccurate from these detectors. The New Small Wheels (NSW) proposed to replace the existing detecting system. The suggested design comprises small-strip Thin Gap Chambers (sTGC) and resistive-strip Micromegas (MM). The sTGC technology will provide triggering information mainly, while the MM will contribute to the tracking reconstruction. A combination of these technologies will reduce the false trigger information. Additionally, it will contribute to the online reconstruction of segments of the muon tracks nearby the interaction point with σθ = 1 mrad, and will contribute to the offline track reconstruction with σr = 100 μm for particle rates up to 15 kHz/cm^2. Chapter 1 describes the ATLAS experiment, the implemented detectors at the muon spectrometer, and the suggested technologies of the NSW. A brief introduction of the operation principles of gaseous detectors, as well as a description of the Multi-wire proportional chamber variants, is given in chapter 2. The NSW will occupy a total area larger than 1200 m^2. Custom materials, e.g., PCBs, and innovative techniques developed to construct large area detectors of such a size. Due to the uncommon detectors' dimensions and the unusual production methods, their construction took place in specialised laboratories. The Aristotle University of Thessaloniki undertook the construction of a part of the MM detectors. Various quality control measurements were performed during the construction of these parts of the detectors, as they should fulfill the strict specifications of the ATLAS experiment. I participated in most of the construction steps and the quality measurements during the production period. After all, contribution to the detectors' construction was the assigned qualification task to me. Chapter 3 reports all these construction procedures and the quality control protocols. After the construction completion, all MM detectors were sent to the CERN facilities. All chambers had to be mechanically integrated and equipped with their electronics. Cosmic ray studies validated their optimal operation and helped the detection of any malfunction before their integration with the sTGC parts. These studies tested several operational characteristics of the detectors like their gain, the strips' multiplicity, and the size of the clusters. Also, studies concerning any correlation between the gas flow (rate and direction) and the detector's operation were performed. Moreover, it was measured the detector's efficiency and the spatial resolution with different gas fillings mixtures (ArCO_2 and ArCO_2C_4H_10). Results from all these studies are presented in Chapter 4. The high intensity of the HL-LHC luminosity will increase to more than 140 the proton-proton vertices in the same bunch-crossing. The tracking information will be insufficient to associate the interactions to the corresponding vertex. The data from the time dimension is necessary to separate these vertices. The time information should be with a resolution of at least 30 ps precision. The typical gaseous detectors, like the MM, cannot estimate the passing time of a charged particle with a precision better than a few ns. It was proposed customisation of a typical MM, which will benefit from the Cherenkov effect. That modified detector is called PICOSEC-Micromegas, has modified geometrical characteristics, and is equipped with a Cherenkov crystal emitter and a photocathode. This customised variant of the MM can reach a timing resolution of tens of picoseconds. It is an improvement of three orders of magnitude compared to a typical MM. Chapter 5 presents the implemented timing methods for this detector and the techniques to estimate the number of emitted photoelectrons. Moreover, it contains the results of the first PICOSEC-Micromegas prototype. To implement the PICOSEC-Micromegas detector on a large-scale experiment its surface should be increased. It was proposed a design of a multi-pad detector surface, with different readout channels on each pad for a large surface variant. This design introduced new challenges regarding detector construction. Moreover, the data processing for the regions nearby neighbouring pads requires special treatment. The first multi-pad prototype had a non-uniform performance across its surface due to construction structure impact to the flatness of the PCB. Chapter 6 includes the studies of this multi-pad variant with muon beam data at the SPS facilities of CERN and the estimation of flatness correction parameters for this detector. Usage of these corrections permits the performance estimation of a well-flatted detector. The same chapter contains studies that were made on a redesigned multi-pad. It was estimated the uniformity of timing performance from consecutive pads. Also, it was estimated the timing resolution for sharing signals between neighbouring pads. Last but not least, it was estimated a global parametrisation which describes all the pads independently of their position. That is very important for the development of a large-scale detector.

Ο μεγάλος επιταχυντής αδρονίων -Large Hadron Collider (LHC)- και τα πειράματα που έχουν αναπτυχθεί κατά μήκος του έχουν επαληθεύσει με τις μετρήσεις τους την ύπαρξη διαφόρων σωματιδίων κατά την λειτουργία τους. Προκειμένου να διερευνηθούν πτυχές νέας Φυσικής που υπερβαίνουν το καθιερωμένο πρότυπο, οι συγκρούσεις των σωματιδίων (πρωτονίων-πρωτονίων) θα πρέπει να διενεργηθούν σε ακόμα μεγαλύτερες ενέργειες. Για τον λόγο αυτό έχει δρομολογηθεί η αναβάθμιση του υφιστάμενου επιταχυντή σε High-Luminosity LHC ούτως ώστε να επιτευχθούν ενέργειες της τάξης των 14 Tev στο κέντρο μάζας των συγκρούσεων και αύξηση της φωτεινότητας της δέσμης στα L = 7x1034 cm-2s-1. Η υφιστάμενη τεχνολογία των ανιχνευτικών διατάξεων δεν θα είναι ικανή να ανταπεξέλθει σε αυτό το απαιτητικό περιβάλλον. Προκειμένου να συνεχίσουν την λειτουργία τους απρόσβλητα τα πειράματα, θα πρέπει κάποιες από τις παρούσες ανιχνευτικές διατάξεις να αναβαθμιστούν με νέες ικανές τεχνολογίες.Το πείραμα ATLAS, ένα από τα δυο πειράματα γενικού ενδιαφέροντος του LHC, έχει αποφασίσει να αναβαθμίσει μέρος του μιονικού φασματόμετρού του. Πιο συγκεκριμένα, η νέα πραγματικότητα που θα δημιουργήσει ο HL-LHC δεν θα είναι διαχειρίσιμη, ειδικά για περιοχές κοντά στο σημείο αλληλεπίδρασης. Μέχρι πρόσφατα το συγκεκριμένο κομμάτι του φασματόμετρου εξυπηρετούνταν από τα Small Wheels, τα οποία απαρτίζονταν από ανιχνευτές τύπου MDT, CSC και TGC. Μελέτες έχουν δείξει ότι σε καταστάσεις φωτεινότητας πολύ μεγαλύτερης από αυτήν που υπήρχε μέχρι τώρα, οι συγκεκριμένοι ανιχνευτές δεν θα είναι ικανοί ούτε να περιορίσουν το πλήθος των εσφαλμένων σκανδαλισμών αλλά ούτε και να παρέχουν ακριβή ανακατασκευή των τροχιών των φορτισμένων σωματιδίων που θα διέλθουν από αυτά. Ένα νέο σύστημα στην θέση του προϋπάρχοντος, το λεγόμενο New Small Wheels (NSW), προτάθηκε να αντιμετωπίσει αυτές τις προκλήσεις. Το σύστημα αυτό θα αποτελείται από ανιχνευτές small-strip Thin Gap Chambers (sTGC) και resistive-strip Micromegas (MM). Η τεχνολογία sTGC επιλέχθηκε για να προσφέρει πληροφορίες σκανδαλισμού κυρίως, ενώ η τεχνολογία ΜΜ θα συνεισφέρει στην ανακατασκευή των τροχιών. Με αυτές τις δυο τεχνολογίες θα γίνει εφικτός ο περιορισμός των ψευδών σκανδαλισμών. Επίσης θα είναι δυνατή η ακριβής online ανακατασκευή τμημάτων των μιονικών τροχιών στην περιοχή των αλληλεπιδράσεων με σθ ~ 1 mrad όπως και η πλήρης ανακατασκευή offline με σr=100 μm σε ρυθμούς διερχόμενων σωματιδίων που θα αγγίζουν τα 15 kH/cm2. Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει μια εισαγωγική περιγραφή του επιταχυντή LHC, όπως παράλληλα και των ανιχνευτικών διατάξεων που χρησιμοποιούνται στο μιονικό φασματόμετρο. Καθώς το περιεχόμενο αυτής της διατριβής πραγματεύεται την έρευνα και ανάπτυξη ανιχνευτών αερίου γεμίσματος και πιο συγκεκριμένα των διαφόρων τύπων ανιχνευτών Micromegas, το δεύτερο κεφάλαιο περιέχει μια εισαγωγή των απαραίτητων εννοιών που χαρακτηρίζουν τους συγκεκριμένους ανιχνευτές. Το NSW καταλαμβάνει μια επιφάνεια της τάξης των 1200 m2. Προκειμένου να κατασκευαστούν ανιχνευτές ικανοί να καλύψουν αυτήν την μεγάλη έκταση, χρησιμοποιήθηκαν εξειδικευμένες τεχνικές κατασκευής και εξεζητημένες πρώτες ύλες π.χ. PCB. Εξαιτίας αυτών των ιδιομορφιών επιλέχθηκε η κατασκευή των ανιχνευτών αυτών να λάβει χώρα σε εξειδικευμένα κατασκευαστικά εργαστήρια. Το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης συνέβαλε στην προσπάθεια αυτή αναλαμβάνοντας την κατασκευή ενός μέρους των ανιχνευτών αυτών. Καθότι τα κομμάτια που απαρτίζουν αυτούς τους ανιχνευτές θα πρέπει να πληρούν τις αυστηρές προδιαγραφές που είχε θεσπίσει το πείραμα ATLAS, ένα σύνολο ελέγχων λάμβανε χώρα κατά την κατασκευή τους προκειμένου να διασφαλιστεί η ποιότητα των παραγόμενων ανιχνευτών. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι τεχνικές κατασκευής που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και οι έλεγχοι που διενεργήθηκαν. Μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής στα διάφορα εργαστήρια, οι ανιχνευτές στέλνονταν στις εγκαταστάσεις του CERN. Εκεί έπρεπε να πραγματοποιηθεί η μελέτη της λειτουργίας των ανιχνευτών με κοσμική ακτινοβολία. Οι έρευνες αυτές είχαν να κάνουν με χαρακτηριστικά της λειτουργίας των ανιχνευτών όπως το φορτίο, η πολλαπλότητα των χτυπημένων readout strips και το μέγεθος των δημιουργημένων clusters. Επιπρόσθετα ελέγχθηκε το κατά πόσο επηρεάζεται το συλλεγόμενο φορτίο των readout strips από τον ρυθμό εισόδου του αερίου στον ανιχνευτή όπως επίσης και από την φορά εισόδου του. Μελετήθηκε ακόμα η χωρική διακριτική ικανότητά τους με διάφορα αέρια (ΑrCO2 και ArCO2C4H10). Tα αποτελέσματα των παραπάνω μελετών παρατίθενται στο κεφάλαιο 4. Η αυξημένη φωτεινότητα του HL-LHC θα έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία περισσότερων από 140 ταυτόχρονων αλληλεπιδράσεων πρωτονίων-πρωτονίων κατά την σύγκρουση των κυμματοπακέτων. Οι πληροφορίες των ανακατασκευασμένων τροχιών δεν θα είναι ικανές να αντιστοιχήσουν τα παραγόμενα σωματίδια με τις αρχικές αλληλεπιδράσεις σε ένα τόσο επιβαρυμένο περιβάλλον. Για να γίνει εφικτό αυτό, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί και η πληροφορία του χρόνου με ακρίβεια μεγαλύτερη από 30 ps. Οι τυπικοί ανιχνευτές αερίου γεμίσματος, όπως ο ΜΜ, λόγω της στοχαστικής φύσης των ιονισμών δεν μπορούν να εκτιμήσουν τον χρόνο διέλευσης ενός σωματιδίου με ακρίβεια μεγαλύτερη από μερικά ns. Για τον λόγο αυτό έχει προταθεί η προσαρμογή ενός τυπικού ΜΜ χρησιμοποιώντας τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η ακτινοβολία Cherenkov. Ο συγκεκριμένος ανιχνευτής ονομάζεται PICOSEC-Micromegas. Με την συγκεκριμένη παραμετροποίηση έχει επιτευχθεί η μέτρηση του χρόνου διέλευσης φορτισμένων σωματιδίων με ακρίβεια της τάξης των δεκάδων ps, τρεις τάξεις μεγέθους βελτιωμένη σε σχέση με έναν τυπικό ΜΜ. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται μια εκτεταμένη περιγραφή αυτού του τροποποιημένου ανιχνευτή καθώς ακόμη και τα αποτελέσματα που έδωσαν οι πρώτες μελέτες του. Επίσης παρουσιάζεται ο τρόπος εκτίμησης του πλήθους των εξαγόμενων φωτοηλεκτρονίων από την φωτοκάθοδο, αφού αποτελεί μια σημαντική παράμετρο για την αποδοτική λειτουργία του συγκεκριμένου ανιχνευτή. Προκειμένου να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί ένας ανιχνευτής σε πειράματα μεγάλης κλίμακας, είναι απαραίτητη η αύξηση της ενεργής επιφάνειας του ανιχνευτή. Στην περίπτωση του PICOSEC-Micromegas προτάθηκε η λύση της κατάτμησης της επιφάνειας σε πολλές μικρότερες με διαφορετικά κανάλια ανάγνωσης σήματος. Ο νέος αυτός σχεδιασμός ανέδειξε νέες προκλήσεις τόσο στην κατασκευή όσο και στην ανάλυση των δεδομένων ενός τέτοιου ανιχνευτή ιδιαίτερα στις περιοχές μεταξύ γειτονικών καναλιών. Η πρώτη προσπάθεια δημιουργίας ενός τέτοιους ανιχνευτή επηρεάστηκε από κάποιες κατασκευαστικές αστοχίες που είχαν σαν αποτέλεσμα την μη ομοιόμορφη αποδοτικότητα του ανιχνευτή σε όλη την επιφάνειά του. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η μελέτη αυτού του ανιχνευτή σε δέσμη μιονίων στις εγκαταστάσεις του CERN, καθώς και ο υπολογισμός διορθωτικών παραγόντων που θα μπορούσαν να δώσουν μια εκτίμηση της ικανότητας του συγκεκριμένου εγχειρήματος σε έναν άρτια κατασκευασμένο ανιχνευτή. Στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάζονται επιπλέον τα αποτελέσματα από έναν επανασχεδιασμένο ανιχνευτή πολλαπλών καναλιών στον οποίο αποφεύχθηκαν οι προαναφερθείσες αστοχίες.