Studi di R&D sugli Ultra-Fast Silicon Detectors per il tracciamento 4D nei futuri esperimenti di fisica

I futuri esperimenti di fisica delle alte energie richiedono una precisione sempre maggiore nella localizzazione del passaggio di una particella. Per migliorare la risoluzione dei tracciatori, vengono quindi utilizzati dei sensori basati sulla tecnologia dei Low-Gain Avalanche Diode (LGAD) per consentire la simultanea misurazione delle coordinate spazio-temporali. Mi sono quindi occupata della caratterizzazione di una nuova famiglia di rivelatori di particelle al silicio, i cosiddetti “Ultra-Fast Silicon Detectors” (UFSDs) destinati a garantire un preciso tracciamento 4D. Gli UFSDs sono rivelatori sottili basati sulla tecnologia LGAD e ottimizzati per le misure di tempo. Il loro innovativo design ha permesso di ottenere risoluzioni temporali di poche decine di picosecondi e possono resistere ai danni da radiazioni. In particolare, questo lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di testare diverse produzioni di UFSD e di valutare le loro caratteristiche chiave. Ho potuto misurare l’uniformità delle diverse produzioni e studiare il guadagno interno dei sensori. Inoltre, ho focalizzato la mia attenzione sullo studio della resistenza alle radiazioni degli UFSD utilizzando diversi set-up allestiti opportunamente in laboratorio per poter studiare il meccanismo di de-attivazione degli atomi accettori (“acceptor removal”) nello strato di guadagno, i valori di resistenza interpad e l’estensione di quest’ultima. I miei studi hanno quindi dimostrato che le ultime produzioni di rivelatori UFSD soddisfano i requisiti di performance richiesti per i prossimi esperienti al CERN LHC.

Future measurements in particle physics require an ever-increasing precision in the localization of the passage of the particles. To improve the resolution of the tracking apparatuses, sensors based on the Low-Gain Avalanche Diode (LGAD) design are used to enable the concurrent measurement of the spatial and temporal coordinates. In my thesis, I worked on the characterization of a new family of particle detectors, the so-called "Ultra-Fast Silicon Detectors" (UFSD), meant to provide very precise 4D tracking capabilities. UFSDs are thin sensors based on the LGAD technology and optimized for time measurements. Their innovative design allows reaching a time resolution of few tens of picoseconds and they are resistant to radiation damage. My thesis is focused on testing several different productions of UFSDs, and evaluating their key characteristics. I measured the production uniformity of the sensors and I studied their internal gain. Furthermore, I focused my attention on the study of the radiation resistance of the UFSDs, by means of different laboratory setups to investigate the mechanism of the acceptor removal in the gain layer, the resistance and the extension of the inter-pad region. My studies demonstrated that the latest productions met the requirements in terms of performance for the next experiments at the CERN LHC.