Testbeam study of non-irradiated and irradiated pixel sensors for phase-2 CMS inner tracker upgrade

Abstract

The CMS experiment at the LHC in Geneva, Switzerland collects data from proton-proton collisions that require more granular pixel devices to accurately determine the 3D location of proton-proton vertices and decay points of secondary particles. To address this challenge, the HL-LHC will require several improvements to the CMS apparatus, including building a new silicon tracking detector. This research focuses on the operation, performance, and characterization of silicon 3D sensors that will be used to build the tracking detector. The sensors are tested at FTBF by the TFPX team with several controlled parameters to determine the impact of track angle and charge collection. The efficiency of the sensors is studied before and after radiation, and the results show that performance is comparable before and after irradiation, with slightly lower efficiencies and cluster sizes after irradiation. Peak charge is higher pre-irradiation than post-irradiation, indicating that irradiated results are not taken under fully-depleted conditions. This research is a step towards enhancing the accuracy of proton-proton collision data collection.

El experimento CMS en el LHC en Ginebra, Suiza, recolecta datos de colisiones de protones que requieren dispositivos de píxeles más granulares para determinar con precisión la ubicación en 3D de los vértices y puntos de desintegración de partículas secundarias. Para abordar este desafío, el HL-LHC requerirá varias mejoras en el aparato CMS, incluida la construcción de un nuevo detector de seguimiento de silicio. Esta investigación se centra en la operación, rendimiento y caracterización de los sensores de silicio 3D que se utilizaran para construir el detector de seguimiento. Los sensores se prueban en FTBF por el equipo TFPX con varios parámetros controlados para determinar el impacto del ´ángulo y la colección de carga. Se estudia la eficiencia de los sensores antes y después de la radiación, y los resultados muestran que el rendimiento es comparable antes y después de la irradiación, con eficiencias y tamaños de clúster ligeramente menores después de la irradiación. La carga máxima es mayor antes de la irradiación que después, lo que indica que los resultados irradiados no se toman en condiciones completamente agotadas. Esta investigación es un paso hacia la mejora de la precisión en la recopilación de datos de colisiones de protones.