Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

innersten Detektoren bis zu den äußersten, wenn wir radial vom Teilchenstrahl aus messen, und erklären, wie der Schauer von Teilchen, der aus einem Zusammenstoß hervorgeht, sich in aufgezeichnete, identifizierbare Informationen verwandelt.
    Die Tracker
    Die innersten Teile der Anlagen sind die Tracker, die die Positionen der geladenen Teilchen aufzeichnen, wenn sie den Wechselwirkungsbereich verlassen, wodurch ihre Bahnen rekonstruiert und ihre Impulse gemessen werden können. Sowohl beim ATLAS als auch beim CMS besteht der Tracker aus mehreren konzentrischen Komponenten.
    Die Schichten, die den Strahlen und Wechselwirkungspunkten am nächsten liegen, weisen die feinste Segmentierung auf und erzeugen die meisten Daten. Silizium- Pixel mit äußerst kleinen Detektorelementen befinden sich in dieser innersten Region, die nur wenige Zentimeter von der Strahlröhre entfernt beginnt. Sie sind für eine äußerst genaue Bahnverfolgung ganz in der Nähe des Wechselwirkungspunkts ausgelegt, wo die Teilchendichte am höchsten ist. Silizium wird in der modernen Elektronik verwendet wegen der feinen Details, die in jedes winzige Teil geätzt werden können, und Teilchendetektoren verwenden es aus genau demselben Grund. Die Pixelelemente beim ATLAS und CMS sind so konstruiert, dass sie geladene Teilchen mit einer extrem hohen Auflösung detektieren sollen. Indem sie die aufgezeichneten Punkte miteinander und mit den Wechselwirkungspunkten verbinden, aus denen sie hervorgehen, bestimmen die Experimentalphysiker die Bahnen, denen die Teilchen im innersten Gebiet ganz nahe beim Strahl folgen.
    Die ersten drei Schichten des CMS-Detektors – bis zu einem Radius von 11 Zentimetern – bestehen aus Pixeln, die 100 bis 150 Mikrometer breit sind, insgesamt 66 Millionen. Der innere Pixeldetektor von ATLAS ist ähnlich genau. Die kleinste Einheit, die im innersten Detektor von ATLAS ausgelesen werden kann, ist ein Pixel mit einer Größe von 50 mal 400 Mikrometern. Die Gesamtzahl von ATLAS-Pixeln ist ungefähr 82 Millionen, etwas mehr als die Zahl beim CMS.
    Die Pixeldetektoren mit ihren zig Millionen Elementen erfordern ein hochentwickeltes elektronisches Auslesen. Das Ausmaß und die Geschwindigkeit, die von den Auslesesystemen verlangt wird, sowie die gewaltige Strahlung, der die inneren Detektoren ausgesetzt sind, stellten zwei der wichtigsten Herausforderungen für beide Detektoren dar (siehe Abbildung 35).
    Da es in diesen inneren Trackern drei Schichten gibt, registrieren sie drei Treffer bei jedem durchgehenden, geladenen Teilchen, das lange genug existiert. Diese Spuren der Teilchen werden im Allgemeinen bis zu einem äußeren Tracker jenseits der Pixelschichten fortgesetzt, um ein deutliches Signal zu erzeugen, das eindeutig mit einem Teilchen verknüpft werden kann.
    Mein Mitarbeiter Mathew Buckley und ich schenkten der Geometrie der inneren Tracker einen Großteil unserer Aufmerksamkeit. Wir bemerkten, dass rein zufällig einige vermutete neue geladene Teilchen, die durch die schwache Kraft in einen neutralen Partner zerfallen, eine Bahn zurücklassen würden, die nur wenige Zentimeter lang ist. Das bedeutet, dass die Spuren in diesen Sonderfällen sich möglicherweise nur bis zum inneren Tracker erstrecken, so dass die hier ausgelesene Information alles wäre. Wir berücksichtigten die zusätzlichen Schwierigkeiten, denen die Experimentatoren gegenüberstehen, die sich nur an den Pixeln – den innersten Schichten des inneren Detektors – orientieren können.

Abb. 35: Cinzia da Via und ein Ingenieur, Domenico Dattola, stehen auf einem Gerüst vor einer der Schotten des CMS-Siliziumtrackers, mit dem die Kabel verbunden sind.
    Die meisten geladenen Teilchen existieren jedoch lange genug, um bis zum nächsten Tracker zu gelangen, so dass die Detektoren eine viel größere Bahnlänge aufzeichnen. Daher gibt es außerhalb der inneren Pixeldetektoren mit hoher Auflösung in zwei Richtungen Siliziumstreifen, die in den beiden Richtungen verschieden groß sind. In einer der beiden sind sie viel grobkörniger. Die längeren Streifen stimmen mit der Zylinderform des Experiments überein und ermöglichen die Abdeckung eines größeren Gebiets (denken Sie daran, dass die Fläche bei größerem Radius um ein Vielfaches größer wird).
    Der CMS-Siliziumtracker besteht aus einer Gesamtheit von 13 Schichten in der zentralen Region und 14 Schichten in der vorderen und hinteren Region. Nach den ersten drei fein gepixelten