Sicht auf CMS-Experiment von oben

Entwicklung von Teilchendetektoren

Wenn am Large Hadron Collider des Forschungszentrums CERN in Genf viele Protonen mit hohen Energien aufeinandertreffen, sind die Teilchendetektoren enorm hohen Strahlenbelastungen ausgesetzt. Deswegen müssen immer wieder Teile ausgetauscht werden. Lisa Leander sprach für unseren Podcast mit Georg Steinbrück von der Universität Hamburg über neue Detektorkomponenten, die den Einsatz am Beschleuniger länger überstehen sollen.

Wollen Physiker mithilfe von Teilchenkollisionen in Beschleunigern neue Entdeckungen machen, müssen sie die entstehenden Teilchen nachweisen und anhand ihrer Eigenschaften bestimmen können. Dazu bauen sie Detektoren, mit denen sich eine Vielzahl von Daten sammeln lässt.

Georg Steinbrück

Georg Steinbrück: „Die Detektoren in der Elementarteilchenphysik sind, wie wir sagen, immer zwiebelschalenförmig um den Strahl aufgebaut, das heißt, das Ganze ist wie ein mehrstöckiges, großes Haus. Wenn man ganz innen ist am Teilchenstrahl, dann kommen zunächst die Siliziumdetektoren – die Pixeldetektoren sind ganz innen, danach kommen die Siliziumstreifendetektoren – und dann folgen die Kalorimeter und ganz außen gibt es ein spezielles System, das die Myonen nachweist. Myonen sind eine Art schwere Sorte von Elektronen.“

Die Arbeitsgruppe um Georg Steinbrück beschäftigt sich vor allem mit den Siliziumdetektoren, also Pixel- und Streifendetektoren. Beide Komponenten sind aus vielen kleinen Modulen zusammengesetzt, einmal in rechteckigen Pixeln und einmal in Streifen angeordnet. Bei Kollisionen werden die entstehenden Teilchen nach allen Seiten in die Detektorschichten hineingeschleudert.

„Wenn ein geladenes Teilchen durch die Siliziumdetektoren hindurchfliegt, hinterlässt es Treffer in den einzelnen Streifen oder Pixeln. Diese Spur kann man rekonstruieren. Sie ist gekrümmt, weil im Inneren des Detektors ein starkes Magnetfeld herrscht, und über diese Krümmung kann man die Impulse der Teilchen und damit auch die Energien nachweisen.“

Grafik eines röhrenförmigen Gestells, in das die Pixeldetektoren eingebaut sind. Sie sind in mehreren Schichten angeordnet.
Pixeldetektoren

Steinbrück und seine Kollegen arbeiten unter anderem für das CMS-Experiment des LHC-Beschleunigers am CERN. Der CMS-Detektor ist einer der großen Detektoren am LHC, hier trafen bis Anfang des Jahres Protonen mit einer Energie von insgesamt sieben Teraelektronenvolt zusammen, ab 2015 sollen sogar bis zu 14 Teraelektronenvolt möglich sein. Gerade die Pixel- und Streifendetektoren, die dem Teilchenstrahl am nächsten sind, werden durch die auftretende Strahlung beeinträchtigt.

„Diese große Anzahl von Teilchen, die auf einen Siliziumdetektor einprasselt, hat negative Auswirkungen auf seine Funktionsweise – bis zu dem Punkt, wo irgendwann der Detektor gar nicht mehr funktioniert.“

Um das Silizium in den Detektoren resistenter gegen Strahlung zu machen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine besteht darin, den Anteil von Fremdatomen wie zum Beispiel Sauerstoff im Material zu erhöhen.

„Das hört sich erstmal negativ an, dass da eine Verunreinigung drin ist, aber es stellt sich heraus, dass Sauerstoff positive Auswirkung auf die Strahlenhärte von Silizium hat.“

Da der LHC seit einigen Jahren läuft, konnten die Forscher bereits während des Betriebs Messungen zu den Schäden an den Detektoren machen. Diese zeigen sich zum Beispiel dadurch, dass der Detektor weniger Teilchen nachweisen kann als zuvor oder mit einer höheren Spannung betrieben werden muss.

Silberfarbene, rechteckige Platten, die dicht an dicht und in mehreren Reihen übereinander angebracht sind.
Siliziumstreifendetektoren

„Aber wenn man dann zu noch höheren Strahlenbelastungen geht und schauen möchte, wie lang die Detektoren halten und wie man sie vielleicht verbessern kann, dann machen wir entsprechende Experimente im Labor. Wir haben Testsensoren, die speziell entwickelt werden, und die werden dann bestrahlt, das heißt, wir setzen sie absichtlich einer hohen, kontrollierten Strahlenbelastung aus. Dabei machen wir Messungen, die zeigen, wie sich die Detektoren im Laufe der Zeit in ihren Eigenschaften verändern“

Während im Beschleuniger Teilchenkollisionen stattfinden, lassen sich einzelne Komponenten im Inneren der Detektoren nicht einfach austauschen. Der LHC befindet sich im Moment jedoch in einer Betriebspause, in dieser Zeit bereiten Wissenschaftler und Ingenieure den Beschleuniger auf die Kollisionen mit höheren Energien vor. Für Steinbrück und sein Team wird es jedoch erst bei der nächsten Pause interessant.

„In 2016 und 2017 gibt es das erste große Upgrade für die Spurdetektoren bei CMS, also die Siliziumdetektoren, dort wird nämlich der gesamte Pixeldetektor ausgetauscht. Wobei man sagen muss, dass der Grund des Austauschs ist, dass der jetzige Pixeldetektor den hohen Stoßraten nicht mehr standhalten würde, es würde zu hohe Todzeiten geben. Um den Detektor und seine Eigenschaften zu verbessern, wird der jetzige Detektor, der drei Lagen von Siliziumdetektoren hat, mit einem neuen ersetzt, der vier Lagen hat.“

Streifenförmige Platten, die eng nebeneinander gesetzt sind und mehrere Schichten in einem zylinderförmigen Detektormodul bilden.
Anordnung der Streifendetektoren im Detektor

Ein zweites, größeres Upgrade soll 2022 für den gesamten LHC folgen, dann werden alle Siliziumdetektoren bei den großen Experimenten CMS und ATLAS komplett ausgetauscht. Nach dem Upgrade ist eine deutliche höhere Rate an Teilchenkollisionen pro Zeit geplant, was die Belastung für die Detektoren nochmals erhöht.

„Tatsächlich ist es so, dass wir für diese inneren Lagen dieses Pixeldetektors für den Phase-2-Upgrade noch keine Lösung haben, bei der wir hundert Prozent sicher sind, dass sie funktioniert. Da werden dann ganz neue Technologien getestet, beispielsweise sogenannte 3D-Sensoren, bei denen die Siliziumstreifen sozusagen senkrecht zur Oberfläche gehen, und sogar Diamantsensoren, bei denen man Diamant statt Silizium verwendet.“

Normalerweise sind Detektoren darauf ausgelegt, die gesamte Laufzeit des Beschleunigers bis zum nächsten Umbau zu überstehen, das entspricht etwa zehn Jahren.

„Es ist aber auch nicht ausgeschlossen, dass man einen Detektor absichtlich so baut, dass man die inneren ein oder zwei Lagen schon vorher nach einigen Jahren austauscht, wenn man keine Lösung findet, die wirklich die gesamten zehn Jahre überleben wird.“

Ein weiteres Projekt, an der die Arbeitsgruppe mitarbeitet, ist der European XFEL, der derzeit in Hamburg entsteht. Dabei handelt es sich um einen Freie-Elektronen-Laser, der in Zukunft ultrakurze Röntgenblitze für verschiedene Bereiche der Forschung erzeugen wird. Geplanter Start ist 2015. Anders als bei den Experimenten am LHC werden hier Elektronen beschleunigt und auf eine bestimmte Bahn gelenkt, damit sie hochenergetische Photonen aussenden. Die Siliziumdetektoren, die hier zum Einsatz kommen, haben dennoch eine ähnliche Technologie wie die des CMS-Experiments.

Blick in einen langen Tunnel, der bis auf einige Röhren und Balken an den Wänden noch leer ist.
Tunnel für European XFEL

„Es gibt aber auch ein paar große Unterschiede: Das Projekt an dem wir beteiligt sind, nennt sich AGYPD – Adaptive Gain Integrating Pixel Detector. Dort hat man einen sehr großen dynamischen Bereich. Man möchte im Idealfall einzelne Photonen nachweisen können, andererseits hat man Bilder, wo man bis zu 10 000 oder 100 000 Photonen in einem Pixel hat. Um diesen großen Bereich verarbeiten zu können, hat dieser Pixelauslesechip ein sogenanntes Gain-Switching, durch das der Verstärkungsfaktor in drei verschiedenen Stufen dynamisch angepasst wird.“

Auch die Art der Strahlenschäden unterscheidet sich. Beim European XFEL wird vor allem ionisierende Strahlung entstehen, die Elektronen aus der Hülle der Siliziumatome herauslöst, während die Strahlung am LHC meist ganze Atome aus dem Siliziumgitter entfernt und dadurch Störstellen im Material erzeugt. Auf all diese unterschiedlichen Voraussetzungen und Arten von Beschleunigern müssen sich Steinbrück und sein Team bei ihrer weiteren Forschung einstellen, um eine möglichst optimale Lösung für die Langlebigkeit der Detektoren zu finden.