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Compact Muon Solenoid (CMS)

Das IPE entwickelt zusammen mit dem Institut für Experimentelle Kernphysik, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und anderen Partnern Detektorsysteme für das Compact-Muon-Solenoid (CMS-) Experiment am CERN

CMS ist ein Detektor am Large Hadron Collider (LHC), welcher sich am Europäischen Kernforschungszentrum  (CERN, Schweiz) befindet. Als Mehrzweckdetektor untersucht das CMS-Experiment die Struktur der Materie bei den derzeit höchsten im Labor erzeugbaren Energien. Ziele sind u.a. die Untersuchung des dort entdeckten Higgs-Bosons, die Suche nach Hinweisen für Supersymmetrie und die Erforschung der Physik jenseits des teilchenphysikalischen Standardmodells.

 

Das LHC Beschleunigersystem erzeugt Protonenkollisionen bei Energien bis 14 TeV und einer Rate von 40 MHz an vier Wechselwirkungspunkten entlang des 27 km langen unterirdischen Rings.

 

Abbildung 1
Darstellung eines Kollisionsereignisses beim CMS Detektor. Unter den vielen grünen Teilchenspuren befinden sich eine Hand voll „interessanter“ Teilchen, die es zu finden gilt.

 

Abbildung 2
Der LHC Ring in ca. 100m Tiefe mit den großen Experimenten an den vier Wechselwirkungspunkten.

 

Bei diesen Kollisionen wird die bewegte Masse der Protonen in Energie umgewandelt (E = mc²). Aus dieser Energie entstehen u.U. neue Teilchen höherer Masse als die der Protonen bzw. der Quarks und Gluonen, aus denen die Protonen bestehen. Um die Eigenschaften der erzeugten Teilchen nachzuweisen, bestehen die Detektoren typischerweise aus mehreren zwiebelschalenförmig angeordneten Subdetektoren mit speziellen Aufgaben.

 

 

Abbildung 3: Querschnitt durch CMS-Detektor

Die innerste Detektorkomponente (Radius < 20 cm) ist der Vertex-Detektor. Seine Aufgabe ist es, die Position der Entstehung (Vertex) geladener Teilchen zu bestimmen, sowie den ersten Streckenabschnitt der Flugbahn zu rekonstruieren. Die Nähe zum Kollisionspunkt bedingt eine große Teilchenspurdichte. Um die Spuren unterscheiden zu können, ist der Vertex-Detektor aus sehr kleinen Zellen aufgebaut. Bei CMS besteht der Detektor aus ca. 2m² Siliziumpixelsensoren, welche in Zellen einer Größe von 100µm x 150µm unterteilt sind. Diese Pixelsensorzellen müssen nun mit den ca. 123 Millionen Kanälen der Ausleseelektronik verbunden werden. Dabei ist eine hohe Ausbeute und Langlebigkeit der Verbindungen von höchster Wichtigkeit, da der Zugang zu diesem System während der geplanten 5 Betriebsjahre fast unmöglich ist. Die Verbindungen werden mit einem Bumpbond-Prozess hergestellt, bei dem z.B. sehr kleine Lötkugeln auf den Sensor oder den Chip aufgebracht und nach Zusammenfügen der Teile aufgeschmolzen werden.

 

Abbildung 4
Auslesechip und Siliziumpixelsensor werden über Lotkugeln miteinander verbunden.

 

Abbildung 5
Ein am IPE gebautes Pixelmodul.

 

Das IPE hat einen verlässlichen Bumpbond-Prozess entwickelt, der im Hause für die Produktion des neuen Pixeldetektors für das Phase I Upgrade des CMS-Detektors genutzt wird.

 

Darüber hinaus entwickelt das IPE einfache und günstige Verbindungslösungen für F&E Projekte, bei denen waferbasierte Prozessschritte nicht möglich sind (Goldstuds, Precoated Powder Sheets). Außerdem werden Alternativen untersucht, die bei möglichst geringen Temperaturen durchgeführt werden können, damit das annealing bei bestrahlten Sensoren minimiert werden kann.

Diese Verfahren sind dann natürlich auch auf die Verbindung von FPGAs oder andere integrierte Schaltungen anwendbar.