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El detector de píxeles ATLAS se prepara para manejar la Operación 3

Miembros del equipo de seguimiento de ATLAS en la sala de control de ATLAS. (Foto: A. Sciandra y V. Cairo / Experimento ATLAS © CERN)

El experimento ATLAS se lleva a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en vísperas de una nueva recolección de datos cuando el LHC reinicia la Operación Tres. La próxima ejecución de cuatro años proporcionará un conjunto de datos de aproximadamente el doble del tamaño de lo que se recopiló en Run. 2 (2015-2018).

Las colisiones de protones del LHC ya han producido millones de miles de millones de partículas dentro del detector ATLAS. Contar y caracterizar las partículas a través de su interacción con las capas de los materiales activos del detector condujo a una amplia gama de resultados físicos. Desafortunadamente, las mismas interacciones que activan Atlas Physics también dañan el detector.

silicio detector de píxeles, instalado en el núcleo de ATLAS, mide las partículas cargadas que pasan a través de los sensores en cuatro capas concéntricas. Dado que está más cerca del punto de impacto, recibe niveles significativos de radiación. Al final de la tercera ronda, la cantidad de partículas que alcanzarán las capas de píxeles más profundas será comparable a la cantidad que obtendrían si se colocaran a solo unos pocos kilómetros del sol durante una erupción solar. Este daño radiactivo altera la estructura cristalina de las obleas de silicio, lo que dificulta la detección de partículas cargadas. Al final de la ejecución 2, las señales en el detector de píxeles ya habían disminuido en ~25 %. Se espera que esto caiga a alrededor del 50 % al final de la ejecución 3, como se muestra en el gráfico de la izquierda a continuación.

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ATLAS Señal de píxel señal de retorno de carga y simulación de daños por radiación. La figura de la izquierda compara las predicciones de simulación y las mediciones de datos de la eficiencia de recolección de carga de los sensores de píxeles en la capa más profunda en función de la luminosidad del LHC incorporado. La figura de la derecha compara la distribución de carga recopilada en grupos de píxeles registrados en la siguiente capa más profunda (capa B) y se correlaciona con trayectorias de partículas reconstruidas para los datos simulados (puntos) que incluyen (línea continua) pero no incluyen (línea discontinua) radiativo efectos de daños. (Foto: Experiencia Atlas © CERN)
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Los investigadores de ATLAS han desarrollado una estrategia integral para abordar y mitigar estos efectos. La primera defensa es ajustar los parámetros de funcionamiento del detector con regularidad. Los físicos pueden, por ejemplo, aumentar el voltaje a través de un sensor y ajustar la distinción entre señal y ruido. Luego, usando simulaciones por computadora de los efectos del daño por radiación en ATLAS, los científicos pueden afinar Algoritmos para la reconstrucción de trayectorias de partículas cargadas Para reducir el efecto de este daño. Esta estrategia es el resultado de años de colaboración entre los detectores, el software y los grupos de análisis de ATLAS, incluidos intercambios fructíferos con la comunidad internacional más amplia de reactivos.

Las primeras colisiones de protones se produjeron en 2022a La primera prueba de esta estrategia en la tercera vuelta. En mayo de 2022, el LHC chocó con haces de protones de baja densidad en el centro de energía de 900 GeV. ATLAS registra suficientes partículas para comparar el rendimiento del detector y la reconstrucción de la pista con las predicciones de los eventos simulados. Una vez que los efectos del daño por radiación se incluyen en la simulación del detector, las señales en el píxel del detector de partículas cargadas coinciden con las de los datos. El número de capas de píxeles en las que se detecta cada partícula también concuerda con los datos.

Aunque ha estado funcionando bien durante más de una década, el detector de píxeles se mantiene en buen estado mediante el ajuste fino de los parámetros operativos del detector y los algoritmos conscientes de la radiación. Por lo tanto, la eficiencia de píxeles y la resolución espacial medidas con las primeras colisiones de la Ejecución 3 son similares a las medidas al comienzo de la Ejecución 2. La notable concordancia entre los datos y la simulación, que se muestra en el gráfico anterior a la derecha, es testimonio de la Ejecución de ATLAS. 3 programas, que pueden modelar con precisión los efectos de la radiación. ATLAS Path Rebuild Ready to Run 3!

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Si bien estos logros son importantes en la tercera ronda, son aún más importantes para Programa LHC de alto brillo. Un nuevo rastreador de interiores completamente de silicio (ITk) reemplazará detector interno Después de la ejecución 3. La cantidad de radiación a la que estarán expuestas las capas internas de píxeles de ITk excede lo que se recolectará al final de la ejecución 3. Por lo tanto, la experiencia adquirida en los próximos años es necesaria para maximizar el efecto de la alta Atlas del programa de física de la luminosidad.


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