Caratterizzazione sperimentale dei sensori al silicio con tecnologia LGAD per l'Endcap Timing Layer di CMS

L’High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) sarà il prossimo importante upgrade di LHC volto ad aumentare la sua luminosità di un fattore 5. A causa dell'alta luminosità raggiunta durante HL-LHC, i suoi apparati sperimentali saranno posti in un ambiente molto più duro in termini di esposizione alla radiazione e dovranno affrontare un aumento del numero di interazioni per bunch crossing (pileup). Per far fronte alle condizioni sperimentali portate da HL-LHC e al contempo preservare le prestazioni attuali, i rivelatori del Compact Muon Solenoid (CMS) avranno bisogno di un upgrade. Uno dei più importanti upgrade che subirà CMS riguarda l'introduzione di un nuovo rivelatore, il MIP Timing Detector (MTD), che consentirà la misura del tempo di volo delle particelle cariche con una risoluzione di 30-40 ps, permettendo così di separare le particelle provenienti da eventi diversi nello stesso bunch crossing. In particolare, l’obiettivo di questo lavoro riguarda la caratterizzazione dei rivelatori che costituiranno la regione di endcap dell’ MTD: l’Endcap Timing Layer (ETL). L'ETL sarà equipaggiato con gli Ultra-Fast Silicon Detector (UFSD), sottili sensori al silicio a basati che, sfruttando la tecnologia Low Gain Avalanche Diode (LGAD), riescono ad ottenere un’ottima risoluzione temporale ed al contempo una buona resistenza alla radiazione. Per individuare i potenziali produttori degli UFSD necessari per l'ETL, nel 2021 è stata bandita una "Market Survey" (MS). Nell’ambito della MS, i prototipi di molti produttori sono stati valutati sulla base dei requisiti specificati da CMS, in termini di risoluzione temporale, proprietà elettriche e resistenza alla radiazione. Questa tesi descrive il caratterizzazione sperimentale degli UFSD svolta durante la Market Survey. Nel primo capitolo di questa tesi è presente un’introduzione della fase HL-LHC ed una panoramica riguardo l’MTD di CMS. Una descrizione dettagliata dei principi di funzionamento degli UFSD è invece riportata nel capitolo 2. Le tecniche sperimentali utilizzate per caratterizzare i prototipi UFSD dei diversi fornitori sono spiegate nel capitolo 3. La maggior parte di questo lavoro è stata svolta nel Laboratorio di Sensori Innovativi al Silicio di Torino, completato da campagne di misura presso la test beam facility di DESY ad Amburgo. Infine, un report completo e una discussione sui risultati delle misure effettuate su ciascun UFSD sono illustrati nel capitolo 4.

The High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) will be the next major upgrade of LHC and it will increase its luminosity by a factor 5. Due to the high luminosity reached during the HL-LHC phase, the experiments will be posed in a much harsher environment in terms of radiation exposure and will have to deal with an increased number of interactions per bunch crossing (pileup interactions). In order to cope with the HL-LHC demanding running conditions and preserve its present-day performance, the Compact Muon Solenoid (CMS) detectors will need an upgrade. One of the CMS upgrades will be the introduction of a new MIP timing detector (MTD), which will allow the timing of charged particles with a resolution of 30-40 ps, disentangling in this way particles coming from different events in the same bunch crossing. In particular, this work focuses on the qualification of the detectors that will instrument the endcap region of the MTD: the Endcap Timing Layer (ETL). The ETL will be equipped with Ultra Fast Silicon Detectors (UFSD), thin silicon planar sensors based on the Low Gain Avalanche Diode (LGAD) technology that feature an excellent timing performance and good radiation resistance. To identify the potential bidders for the ETL’s UFSD supply a ‘Market Survey’ (MS) was launched in 2021, based on the ETL performance requirements in terms of time resolution, electrical properties and radiation resistance. This thesis describes the experimental work performed during the Market Survey. The first chapter of the thesis introduces the HL-LHC phase, along with an overview of the CMS MTD, while a detailed description of the UFSD principles of operation are reported in chapter 2. The experimental techniques used to characterize the UFSD prototypes from various vendors are extensively explained in chapter 3. Most of the work has been carried out in the Laboratory of Innovative Silicon Sensors in Turin complemented by measurement campaigns at the DESY test beam facility. At last, a comprehensive report and a discussion on the measurement results on each vendor’s samples are illustrated in chapter 4.