Die Beteiligung des PSI im CMS-Projekt am CERN

1. CERN als internationale Organisation in der Schweiz

Die Grossforschungsanlage CERN bei Genf wurde 1954 unter Mitwirkung der Schweiz gegründet. Zweck dieser europäischen Organisation ist der Bau und Betrieb von Grossbeschleunigern zur Erforschung der elementaren Bausteine der Materie und ihrer Wechselwirkungen. CERN bietet heute Arbeitsplätze für über 3000 Physiker, Ingenieure und Techniker. Darüberhinaus benützen 6500 Wissenschaftler aus den 19 Mitgliedstaaten und aus Nichtmitgliedstaaten wie USA, Japan, Russland und China die weltweit einmaligen Teilchenbeschleuniger des CERN.

Aufgrund der langjährigen wissenschaftlichen Führungsposition wird heute mehr als die Hälfte der weltweiten Forschung auf dem Gebiet der Teilchenphysik am CERN durchgeführt. Die Schweiz ist durch den Sitz des CERN in Genf zum Zentrum der Teilchenphysik geworden. Dies fördert die Chancen für schweizerische Wissenschaftler, an vorderster Front aktiv und erfolgreich mitzuwirken. Gleichzeitig bietet es erstklassige Ausbildungsmöglichkeiten für Studenten.

Im Dezember 1991 verabschiedete der CERN-Rat eine wegweisende Entschliessung, nach der "der Large Hadron Collider (LHC, Protonenspeicherring) der richtige Beschleuniger für den Fortschritt der Teilchenphysik und für die Zukunft des CERN" ist. Im Dezember 1994 bewilligte der CERN-Rat die Konstruktion des LHC und unternahm damit einen wichtigen Schritt in der Entwicklung des CERN von einem europäischen zu einem Weltlabor. Im Dezember 1996 beschloss der CERN-Rat, die Konstruktion des LHC sei in einer einstufigen Bauphase durchzuführen. Gleichzeitig beschloss der CERN-Rat, der Beschleuniger sei im Jahre 2005, bei einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV zusammen mit den vorgeschlagenen experimentellen Programmen, in Betrieb zu nehmen.

Der Schweizer Beitrag ans CERN beträgt jährlich etwa 40 Millionen CHF (4.4% des gesamten CERN-Budgets). Dazu kommen spezielle Sitzlandbeiträge, da die Schweizer Wirtschaft von der Anwesenheit des CERN in der Schweiz stark profitiert.
 

Luftaufnahme des CERN mit seinem System von unterirdischen Beschleunigern. Links oben sieht man den bewaldeten Hang des französischen Jura. Rechts unten ist Meyrin mit den CERN-Labors. Im grossen Tunnelring soll LHC eingebaut werden.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Das LHC-Projekt

Die wissenschaftliche Zielsetzung der Teilchenphysik ist es, die Materie und die Gesetze der ihr zugrunde liegenden Strukturen zu erforschen. Mit immer anspruchsvolleren Experimenten und der Entwicklung neuer theoretischer Konzepte ist es gelungen, die Vielfalt der physikalischen Erscheinungsformen auf einfache Bausteine zu reduzieren.

Obwohl wir heute auf eine Vielzahl von bedeutenden Ergebnissen hinweisen können und weitere Erkenntnisse sicherlich auch in den kommenden Jahren noch zu erwarten sind, wissen wir, dass wir mit den existierenden Instrumenten keine Antwort auf fundamentale offene Fragen geben können. Beispiele sind: Was ist der Ursprung der Masse? Sind die scheinbar verschiedenen Kräfte in der Natur in Wirklichkeit nur verschiedene Aspekte einer einzigen, fundamentalen Kraft? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie in unserem Universum?
Quarks und Leptonen (z.B. das Elektron) sind nach heutigem Wissensstand die Grundbausteine aller Materie.
 
 
 
 
 
 
 
 

Die Grundbausteine unserer Materie bestehen aus Quarks und Leptonen, die sich zusammen mit den kräfteübertragenden Teilchen in ein einfaches Schema einordnen lassen. Die Ursachen für die mehrere Grössenordnungen auseinanderliegenden Massen dieser Teilchen entziehen sich jedoch bislang unserem Verständnis. Erklärungsansätze hält die Theorie bereit: Ein neues Teilchen ist für die Masse aller anderen bereits bekannten Teilchen verantwortlich. Dieses Konzept stammt von Peter Higgs, der das nach ihm benannte Higgs-Teilchen einführte. Wie die Natur diese allgemeine Idee in die Tat umsetzt, darüber kann zur Zeit jedoch nur spekuliert werden. Es könnte z.B. nur ein elementares Higgs-Teilchen geben oder eine Vielfalt solcher elementaren Teilchen, wie sie von einer supersymmetrischen Theorie vorhergesagt werden.

Die vier uns bekannten Wechselwirkungen und ihre Trägerteilchen. Nach der erfolgreichen Vereinheitlichung der elektromagnetischen und der schwachen zur elektroschwachen Wechselwirkung besteht die Hoffnung, in eine übergeordnete Theorie sukzessive auch die verbleibenden zwei Kräfte mit einzubeziehen.
 
 
 
 
 
   

In der Physik spielen bei der Formulierung von Naturgesetzen Symmetrieüberlegungen seit jeher eine grosse Rolle. Heute sind wir auf der Suche nach neuen Symmetrien, die bisher unbekannte Zusammenhänge zwischen den Grundbausteinen der Materie und den Trägerteilchen der Wechselwirkungen erkennen lassen. Supersymmetrie könnte diese gesuchte Theorie sein, die das Tor zu einer neuen Welt mit supersymmetrischen Teilchen öffnet: Jedem existierenden Teilchen wird ein Partnerteilchen zugeordnet, das zu einer neuen Art von Materie führt, die gleichzeitig mit der uns bekannten Materie existieren kann. Diese Idee fasziniert aus verschiedenen Gründen. Zum einen stellt Supersymmetrie eine natürliche Beziehung zwischen der Gravitation und den Kräften, die im Atomkern herrschen, her. Sie erlaubt also eine Vereinheitlichung der fundamentalen Kräfte. Die bisher sehr genau gemessenen Stärken der verschiedenen Wechselwirkungen deuten auf eine Vereinigung hin, die sich bei extrem hohen Energien manifestiert, wie sie zur Zeit des Urknalls existierten. Zum anderen haben die astrophysikalischen Untersuchungen grosser kosmologischer Strukturen ergeben, dass wir mehr als 90% der Masse des Universums mit unseren heutigen Instrumenten nicht sehen können. Supersymmetrische Teilchen sind Kandidaten für mindestens einen Teil dieser "dunklen Materie".

Die Stärken der verschiedenen Wechselwirkungen sind energieabhängig und bis ca. 100 GeV genau vermessen. Extrapoliert man sie weiter bis zu einer Energie von 1016 GeV, bei der eine «Grosse Vereinigung» der drei atomaren Teilchenkräfte erwartet wird, so schneiden sie sich nur dann in einem Punkt, wenn angenommen wird, dass bei einigen TeV (1 TeV = 1000 GeV) eine neue Symmetrie (Supersymmetrie) auftritt. Dieser Energiebereich wird dem LHC zugänglich sein.
 
 
 
 



Teilchenphysiker sind auf der Suche nach diesen neuen Teilchen. Es ist bisher jedoch noch nicht gelungen, sie experimentell nachzuweisen. Das heisst nichts anderes, als dass diese neuen Teilchen, falls sie existieren, eine zu grosse Masse haben, um sie mit den gegenwärtig verfügbaren Beschleunigeranlagen erzeugen zu können. Die mit LHC erreichbare Energie sollte die Entdeckung dieser Teilchen ermöglichen.

LHC-Tunnel mit den zukünftigen LHC-Experimenten (rot). Das CMS-Experiment befindet sich ca. 130 m unterhalb der Erdoberfläche.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Mit dem Grossbeschleuniger-Projekt LHC in einem bereits existierenden 27km langen Tunnel wird es also gelingen, noch tiefer in die Geheimnisse der Natur einzudringen. Der LHC, ein technisch äusserst anspruchsvolles und weltweit einzigartiges Projekt, wird es ermöglichen, Kollisionen von Protonen bei einer Gesamtenergie von 14 TeV (14 Billionen Elektronenvolt) zu erzeugen. Die dabei auftretenden extrem hohen Wechselwirkungsraten stellen eine enorme technische Herausforderung an die Experimente dar.

Die zu erwartende neue Physik am LHC ist komplex und in einem bislang unzugänglichen Energiebereich werden die interessanten Ereignisse selten sein im Vergleich zum erwarteten Untergrund bekannter Physik. Unter diesen schwierigsten Bedingungen bedarf es innovativer Ideen auf dem Gebiet des Detektorbaus, um das breite Spektrum technologischer Probleme zu lösen.
 
 

3. Das CMS-Experiment am LHC

Das CMS-Experiment (Compact Muon Solenoid) ist aus einer Vielzahl von Komponenten aufgebaut, die wie Zwiebelschalen um den Wechselwirkungspunkt angeordnet sind. Jede dieser Komponenten erfüllt eine ganz bestimmte Aufgabe. Da geladene Teilchen in einem Magnetfeld abgelenkt werden, ist es leicht möglich, aus der Krümmung der Flugbahn deren Impuls, und daraus bei bekannter Masse deren Energie, zu berechnen. Bei neutralen Teilchen, auf die keine magnetischen Kräfte wirken, kann die Energie dagegen nur durch die Wechselwirkung mit einem schweren Detektormaterial, einem Kalorimeter, gemessen werden.

Schnittzeichnung des CMS-Detektors. Die Höhe des Detektors entspricht der eines fünfstöckigen Hauses. Die Schweiz ist verantwortlich für das Elektromagnetische Kristall-Kalorimeter und für Teile des Inneren Trackers.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Schlüsselelemente bei der Konzeption des CMS-Detektors sind das hochauflösende Kristall-Kalorimeter zusammen mit einem sehr guten Nachweis von Myonen, die zu den Leptonen gehören und die nicht von Kalorimetern absorbiert werden. Der kompakte Entwurf des Detektors wird durch das solenoide Magnetfeld von 4 Tesla ermöglicht, welches sowohl die exzellente Spurenauflösung als auch ein technisch vergleichsweise einfaches Detektorsystem für Myonen erlaubt. Um dem enormen Teilchenfluss standzuhalten, müssen die zentralen Spurendetektoren äusserst fein segmentiert sein. Strahlungsresistente Halbleitertechnologien mit sehr schneller Elektronik spielen eine zentrale Rolle in der technischen Realisierung der Spurendetektoren am LHC.

Hauptaufgaben des CMS-Detektors werden die experimentelle Lösung des Massenproblems durch Suche nach dem Higgs-Teilchen und die Entdeckung neuer Teilchen sein, wie sie z.B. von supersymmetrischen Theorien vorhergesagt werden. Da die Massen dieser Teilchen unbekannt sind, muss der CMS-Detektor den ganzen möglichen Massenbereich abdecken. Dazu wird ein hochauflösendes elektromagnetisches Kalorimeter benötigt, welches z.B. auch im Falle eines relativ leichten Higgs-Teilchens dessen extrem schwer zugänglichen Zerfall in zwei Photonen nachweisen kann. Das PSI beteiligt sich am Kalorimeter mit den Photosensoren (Avalanche Photodiodes, siehe Kapitel 4.2).

Ein anderer wichtiger Aspekt bei der Suche nach neuen Teilchen am LHC wird der Nachweis von schweren Quarks sein. Diese Quarks kann man indirekt durch Vermessen ihrer Zerfallsstrecke nachweisen. Kleine strahlungsresistente Siliziumzellen (Pixel), welche nahe am Strahlrohr montiert werden, sind die Voraussetzung, um diese wichtige physikalische Signatur erfolgreich ausnützen zu können (siehe Kapitel 4.1). Das PSI hat die Hauptverantwortung für die Pixeldetektoren übernommen.
 
 
 

4. Aufgaben des PSI im CMS-Experiment

Am CMS sind mehr als 2000 Physiker und Ingenieure aus 144 Instituten in 30 Ländern (Stand August 1999) beteiligt. Aus der Schweiz beteiligen sich neben dem PSI auch die ETHZ und die Universitäten Basel und Zürich.

Das PSI beteiligt sich als hauptverantwortliches Institut an Entwicklung und Bau des Pixeldetektors als innerstem Teil des Trackers, und an Entwicklung und Commissioning der Lichtsensoren im elektromagnetischen Kalorimeter. Beide Subdetektoren stellen eine grosse technologische Herausforderung dar und haben äusserst wichtige Hauptaufgaben innerhalb des CMS-Detektors zu erfüllen. Ausserdem benützen viele unserer auswärtigen Kollegen die Pionenstrahlen am PSI, um ihre Detektoren auf Strahlenhärte und hohe Intensitäten zu testen. Das PSI ist in dieser Hinsicht ein idealer Ort zur realistischen Simulation der erwarteten schwierigen Betriebsbedingungen am LHC.
 

4.1 Der Pixeldetektor

Die zeitliche Struktur der LHC-Strahlen ist so beschaffen, dass in regelmässigen Abständen von 25 Nanosekunden Protonen im Zentrum des CMS-Detektors frontal zusammenstossen. Bei diesen 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde entstehen jedesmal ca. 600 geladene Teilchen. Die im Magnetfeld gekrümmten Teilchenspuren müssen möglichst effizient und genau vermessen werden. Dazu werden im zylindrischen Trackingvolumen von 2.6 m Durchmesser und 6 m Länge fein segmentierte Detektorebenen eingebaut, deren Segmentgrössen eine Ortsauflösung um 20 Mikrometer erlauben. Die Ebenen bestehen aus dünnen Siliziumdetektoren. Um eine gute Mustererkennung zu erreichen, sind sie so angeordnet, dass jedes Teilchen mindestens ein Dutzend Spurpunkte in Form von elektronischen Signalen hinterlässt. Die innersten Lagen müssen wegen der extrem hohen Spurdichte in quasi punktförmige Segmente (Pixel) von typisch einem Zehntelmillimeter Kantenlänge eingeteilt sein. Weiter aussen, wo die Spurdichte kleiner wird, sind die Detektorsegmente in Form von sehr schmalen Streifen ausgebildet, wobei Ebenen mit gekreuzten Streifen alternieren.

Da die Pixeldetektoren bei Radien von 10 cm oder weniger angeordnet werden und somit die innersten Spurpunkte messen, dienen sie, durch Extrapolation der Spuren zu ihrem Ursprung, auch der Bestimmung desjenigen Ortes, wo die primäre Reaktion stattgefunden hat (primärer Vertex). Ebenso können schwere Reaktionsprodukte, die erst nach einigen Zehntelmillimetern Flug zerfallen, durch Auffinden ihres Zerfallsvertex (sekundärer Vertex) identifiziert werden. Higgsteilchen und Topquarks zerfallen bevorzugt in solche "langlebigen" Teilchen, und somit wird ihre Identifikation entscheidend erleichtert. Der Pixeldetektor wird deshalb auch mit Vertexdetektor bezeichnet. Er besteht aus zwe izylindrischen Lagen im Mittelteil und je drei Scheiben als Abschluss, und hat eine Gesamtfläche von 1.2 m2. Die Pixeldichte ist mit 4500 Pixel/cm2 vorgesehen.

Eine sehr genaue (~20 Mikrometer) Vermessung der Spuren nahe ihrem Entstehungsort ist von ausschlaggebender Bedeutung. Nicht nur können zueinander gehörende Spuren ermittelt werden, sondern auch solche, die durch den Zerfall eines sich vom Wechselwirkungspunkt wegbewegenden kurzlebigen Teilchens entstehen.
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Der Pixeldetektor ist auf Vorschlag des PSI in das Grundkonzept des CMS-Detektors aufgenommen worden. Er ist zwar das kleinste Teilsystem im ganzen CMS-Projekt, beruht aber auf sehr interessanten und neuen herausfordernden Technologien. Im Gegensatz zu herkömmlichen Pixeldetektoren wie z. B. CCD's (Charge Coupled Devices), bei denen der Einfachheit halber jeweils der Inhalt aller Pixel ausgelesen wird (unabhängig davon, ob die Pixel nützliche Information enthalten oder nicht), muss die Auslese bei unserem Detektor wegen der schnell aufeinanderfolgenden Kollisionen auf diejenigen Pixel beschränkt werden, die Spurdaten enthalten. Auch muss bekannt sein, zu welcher Kollision die Spuren gehören. Während der Auslese von getroffenen Pixeln müssen alle anderen Pixel weiterhin Daten registrieren können. Dies bedingt eine komplizierte Auslesearchitektur.

Für den Pixeldetektor werden Detektorplatinen (oben) und Elektronikchips (unten) durch «Bump-bonding» miteinander verbunden. Wegen der grossen Zahl von ca. 50 Millionen Pixeln ist auf den Elektronikchips hochintegrierte «lokale Intelligenz» zur Datenreduktion untergebracht.
 
 
 
 
 
 
 

Jedes der ca. 40 Millionen Pixel wird über einen "bump bond" (Kügelchen von ca. 20 Mikrometer Durchmesser aus Lotmaterial) mit einem Segment eines Auslesechips verbunden, in dem das Signal verstärkt und weiterbearbeitet wird. Somit muss die ganze Fläche des Detektors mit Elektronikchips bedeckt werden (ca.19'000 Chips von je 0.8 cm2 Fläche). Diese müssen in der Lage sein, laufend Spursignale zu erkennen und Signalhöhe und Zeitpunkt des Treffers zu speichern, bis der CMS-Detektor auf Grund von anderen Kriterien (Trigger) entscheidet, ob es sich um ein interessantes Ereignis zum Auslesen handelt.

Einschneidende, sich zum Teil widersprechende Anforderungen müssen erfüllt werden: Niedriger Rauschpegel und hohe Zeitauflösung bei kleinstem Leistungsverbrauch und sehr engen Platzverhältnissen; robuste Schaltungen auch bei wachsenden Strahlenschäden; genügend Speicherplatz für Spursignale von zeitlich dicht aufeinanderfolgenden Treffern, um den Verlust oder das Überschreiben von Daten minimal zu halten.

Mehrjährige Entwicklungsarbeiten sind insbesondere im Bereich der Auslesearchitektur notwendig. Kleinere Testchips sind bereits evaluiert worden und ein grösserer strahlenharter Auslesechip für 750 Pixel ist in Produktion. Erste Versuche zum Aufbringen von Bump-Bonds auf Teststrukturen sind vielversprechend. Am CERN und am PSI sind kleine Pixeldetektoren bezüglich Auflösevermögen und Strahlenhärte untersucht worden (Stand 2000).

Erste Versuche mit selbsthergestellten «Bump-bonds» aus Indium.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ein erster 6 mm2 grosser Prototyp mit einem vorläufigen Auslesechip ist gelungen. Bis zum endgültigen Detektor ist der Weg aber noch weit.
 
 

4.2 Avalanche Photodioden für das elektrodynamische Kalorimeter

Im Vordergrund steht der optimale Nachweis des hypothetischen Higgs-Teilchens via seinen Zerfall in zwei Photonen. Wegen der einfachen Signatur ist dieser Zerfall für eine sehr genauen Bestimmung der Higgs-Masse gut geeignet. Die Zerfallsphotonen werden in den Kristallen des Kalorimeters absorbiert und erzeugen dabei sogenanntes Szintillationslicht, dessen Intensität der Photonenenergie entspricht. PbWO4-Kristalle erzeugen verglichen mit herkömmlichen Plastikszintillatoren sehr wenig Licht. Für dessen Nachweis sind Photovervielfacher, die über eine gute interne Lichtverstärkung verfügen, wegen des 4 Tesla starken Magnetfeldes nicht verwendbar. Es bietet sich an, Photosensoren auf der Basis von Silizium zu verwenden. Diese haben eine kleine Bauform, sind billig und funktionieren auch im Magnetfeld. Auf Vorschlag des PSI sind Silizium Avalanche Photodioden (APD) gewählt worden. Durch eine zusätzliche Dotierung des
Siliziums erlauben APDs eine 50-100-fache Verstärkung des einfallenden Lichts. Erste Versuche, das Szintillationslicht von PbWO4-Kristallen mit APDs auszulesen, wurden 1993 von uns am CERN durchgeführt. Diese Tests mit einem Prototyp der Firma Hamamatsu Photonics waren zwar vielversprechend; die ersten APDs arbeiteten allerdings sehr instabil. Ihr hoher Dunkelstrom und ihre hohe Kapazität führten zu einer starken statistischen Verbreiterung (Rauschen) des verstärkten Signals. Neben der Reduzierung des Rauschens musste die Lichtempfindlichkeit an die Wellenlänge des emittierten Lichtes der PbWO4-Kristalle angepasst werden. Die Herstellungstechnik musste optimiert werden, damit die APDs gegen radioaktive Strahlung unempfindlich werden. Um all diese Verbesserungen zu realisieren, wurde ein Entwicklungsvertrag zwischen dem PSI und Hamamatsu vereinbart.

Die Zusammenarbeit der beiden Vertragspartner während der letzten Jahre bestand in einer langen Folge von Verbesserungsschritten beim Hersteller und von Tests am PSI und am CERN. Die Empfindlichkeit der APDs auf Strahlung wurde im OPTIS-Strahl geprüft. Dort erhalten die APD's in etwa 2 Stunden eine Strahlendosis, die am LHC nach einer 10- jährigen Messzeit erreicht wird. Der Dunkelstrom und die Kapazität der weiterentwickelten APDs (Fig. 4) sind um eine Grössenordnung verringert worden. Bei radioaktiver Bestrahlung ändert sich nur der Dunkelstrom, alle anderen Parameter verändern sich nicht.

APD-Paar (mm) und PbWO4 Kristall.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Der endgültige Vertrag über die Lieferung von 130 000 APDs wurde kürzlich vom PSI stellvertretend für die CMS Kollaboration unterzeichnet (Stand 2000). In den kommenden 2 bis 3 Jahren werden sie am CERN stichprobenartig geprüft und 65 000 APD-Paare geeicht. Die Strahlenempfindlichkeit wird weiterhin am PSI überprüft.