NA62 Gigatracker sets new standards for silicon detectors
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Description
The NA62 experiment should start collecting its first data (technical run) in a little over one year. At the heart of the experiment is the Gigatracker, a newly conceived silicon pixel detector, whose job is to measure the arrival time and the position of the incoming beam particles. The demonstration detector has recently shown a time resolution of 175 picoseconds, an unprecedented record in the field of silicon pixel detectors.
A 115 metre long vacuum tank, a brand new set of detectors surrounding it and an extremely rare decay to study: this is the new NA62 detector, foreseen to be installed in the SPS North Area in 2012. “We will study a very rare decay of the K+. Such a decay is sensitive to contributions coming from new particles and therefore represents a powerful way of searching for new physics, complementary to the direct approach of the LHC detectors,” explains Augusto Ceccucci, NA62 spokesperson.
The particles from the SPS accelerator are sent to the experiment downstream at a very high rate and are not precisely pulsed; their arrival time in the experiment is therefore unknown. The scope of the Gigatracker is to provide a precise measurement of the arrival time of the particles before they enter the vacuum tank in which they fly and decay. “This information is used to associate the correct incoming kaon to the event observed downstream and to reconstruct its kinematics. We require a time resolution in the Gigatracker of less than 200 picoseconds, about 100 times more precise than the precision of the silicon trackers used by the LHC detectors. The recent tests carried out with the demonstration detector showed that we can reach a time resolution of 175 picoseconds,” says Alexander Kluge, coordinator of the CERN activities of the Gigatracker project.
After having hosted NA48, the cavern in the north area of the SPS prepares to accommodate NA62.
Three of these ultra precise devices will be installed upstream and, in its final configuration, they will be composed of a matrix of 200 columns by 90 rows of pixels. In order to affect the particles’ trajectory as little as possible, the material used to build the detector must be very thin. “The sensor will be 200 µm thick and the pixel chip will be 100 μm thick, about 50 μm thinner than the thinnest chips used in the LHC experiments. The Gigatracker will be placed in a vacuum, in order to minimize the interaction of beam particles with air. It will also be operated at a temperature of -20 degree Celsius to reduce radiation-induced performance degradation,” explains Alexander Kluge. The collaboration is developing new ways to ensure effective cooling, using light materials to minimize their effect on particle trajectory.
Besides being heavily used in high-energy physics experiments, silicon sensors are also exploited in imaging applications. In particular, the development of the Gigatracker silicon pixel detector stimulated interest in other fields of science where images with sub-nanosecond time measurement precision are used. Examples include medical imaging for positron emission tomography (PET); biomedical imaging based on the florescence lifetime imaging microscopy (FLIM), where fluorescent molecules are excited to produce light and the duration of the excitation – the life time – is measured; 3D time-of-flight imaging techniques used in high-tech cameras, where a light pulse is sent to the object and the reflected light is measured together with the time at which it arrives from the object. The NA62 Gigatracker is yet another example illustrating just how short the distance is between the conceptual developments done for particle physics and their application in fields that influence our everyday life.
| The brief history of kaons Kaons are particles made of quarks, of which one is the strange quark. There are charged (K+ and K-) and neutral kaons. The neutral kaons come in two types: a short-lived one (K0S) and a long-lived one (K0L). The CP (a product of Charge and Parity transformations) symmetry violation was discovered by James Christenson, James Cronin, Val Fitch and René Turlay in 1964 in the decay of neutral kaons. The discovery was awarded the 1980 Nobel Prize in physics. The study of kaons at CERN is an established tradition: NA62’s predecessor is NA48 which is best known for establishing direct CP-violation in the two pion decays of the neutral kaons about a decade ago. A first extension (NA48/1) studied K0S rare decays while a second extension (NA48/2) focused on the search for CP-violation and the study of ππ scattering in charged kaon decays. The new NA62 experiment should start operation in 2012 with a first technical run to measure the performance of the detectors. At full speed, the collaboration plans to study about 1013 kaon decays within 100 days of data taking. |
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L’expérience NA62 devrait commencer à recueillir ses premières données (exploitation technique) dans un peu plus d’un an. Au cœur de l’expérience se trouve le Gigatracker, détecteur à pixels de silicium d’une conception totalement inédite, dont le rôle consiste à mesurer l’instant et la position d’arrivée des particules du faisceau incident. Le détecteur de démonstration a récemment atteint une résolution temporelle de 175 picosecondes, record sans précédent dans le domaine des détecteurs à pixels de silicium.
Une enceinte à vide de 115 mètres de long entourée d’un ensemble de détecteurs flambant neufs, le tout destiné à étudier une désintégration très rare : voilà comment se présente le nouveau détecteur de NA62, dont l’installation dans la zone nord du SPS est prévue pour 2012. « Nous étudierons une désintégration très rare des K+. Ce type de désintégration étant très sensible aux contributions provenant de nouvelles particules, il représente un outil puissant pour la recherche d’une nouvelle physique, en complément de l’approche directe des détecteurs du LHC », explique Augusto Ceccucci, porte-parole de NA62.
Les particules provenant du SPS arrivent en aval de la cible de l’expérience avec une très grande fréquence et ne sont pas pulsées avec précision ; leur instant d’arrivée dans l’expérience est, par conséquent, inconnu. L’objectif du Gigatracker est de fournir une mesure précise de l’instant d’arrivée des particules avant qu’elles n’entrent dans l’enceinte à vide où elles fusent et se désintègrent. « Cette information est utilisée pour associer le bon kaon incident à l’événement observé en aval et en reconstituer la cinématique. Dans le Gigatracker, nous avons besoin d’une résolution temporelle inférieure à 200 picosecondes, ce qui représente une précision environ 100 fois plus grande que celle des trajectographes au silicium utilisés par les détecteurs du LHC. Les essais réalisés récemment avec le détecteur de démonstration ont montré que nous pouvions atteindre une résolution temporelle de 175 picosecondes », précise Alexander Kluge, coordinateur des activités CERN dans le cadre du projet Gigatracker.
Après avoir hébergé NA48, la caverne dans la zone nord du SPS se prépare à accueillir NA62.
Trois de ces appareils de très haute précision seront installés en amont et, dans la configuration finale du projet, ils seront composés d’une matrice de 200 colonnes et 90 lignes de pixels. Pour avoir le moins d’incidence possible sur la trajectoire des particules, le matériel utilisé pour construire le détecteur sera de très faible épaisseur. « L’épaisseur du capteur sera de 200 µm, celle de la puce de 100 µm, ce qui représente 50 µm de moins que la plus mince des puces utilisées pour les expériences du LHC. Le Gigatracker sera placé dans le vide, afin de réduire au minimum l’interaction des particules du faisceau avec l’air. En outre, il sera exploité à une température de -20 degrés Celsius, pour limiter les baisses de performance dues aux rayonnements », poursuit Alexandre Kluge. La collaboration développe actuellement de nouvelles méthodes permettant d’assurer un refroidissement efficace par l’utilisation de matériaux légers qui influencent très peu la trajectoire des particules.
Outre leur utilisation très large dans les expériences de physique des hautes énergies, les capteurs au silicium sont également employés dans des applications d’imagerie. Le développement du Gigatracker, détecteur à pixels de silicium, a notamment suscité l’intérêt dans d’autres disciplines scientifiques réclamant des images d’une résolution temporelle inférieure à la nanoseconde. C’est le cas, par exemple, de l’imagerie médicale, pour la tomographie par émission de positons (TEP), et de l’imagerie biomédicale FLIM (imagerie par déclin de fluorescence), pour laquelle des molécules fluorescentes sont stimulées pour produire de la lumière la durée de l’excitation étant mesurée ; les techniques d’imagerie de temps de vol 3D, utilisées dans les caméras haute technologie, où une impulsion lumineuse est envoyée vers un objet et où la lumière réfléchie par celui-ci et son temps d'arrivée sont mesurés. Le Gigatracker de NA62 est une nouvelle illustration de la faible distance qui sépare les développements conceptuels menés dans le cadre de la physique des particules de leur application à des domaines ancrés dans la vie de tous les jours.
| Brève histoire des kaons Les kaons sont des particules formées de quarks, dont le quark étrange. Il existe des kaons chargés (K+ et K-) et des kaons neutres. Les kaons neutres sont de deux types : le kaon neutre de courte durée de vie (K0S) et le kaon neutre de longue durée de vie (K0L). La violation de la symétrie CP (produit des transformations de la parité P et de la charge C) a été découverte par James Christenson, James Cronin, Val Fitch et René Turlay en 1964 à travers la désintégration des kaons neutres. Cette découverte a été couronnée par un prix Nobel de physique en 1980. L’étude des kaons est une vieille tradition au CERN. NA62 a succédé à NA48, expérience qui a établi, il y a une dizaine d’années, la violation directe de CP dans la désintégration des kaons neutres en deux pions. Un premier prolongement de l’expérience, NA48/1, a étudié la désintégration rare des K0S, tandis qu’un second, NA48/2, s’est concentré sur la recherche de violation CP et l’étude de la diffusion ππ dans la désintégration des kaons chargés. La nouvelle expérience NA62 devrait commencer à fonctionner en 2012, avec une première exploitation technique destinée à mesurer les performances des détecteurs. À plein régime, la collaboration prévoit d’étudier environ 1013 désintégrations de kaons en 100 jours de collecte de données. |
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- 1360673
- CDS Report Number
- BUL-NA-2011-156
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