Studio delle performance dei moduli per il layer più interno del rivelatore ITk di ATLAS

Abstract

In vista del progetto High Luminosity presso il Large Hadron Collider (HL-LHC) del CERN, il sistema di tracciamento ATLAS sarà completamente sostituito da un rivelatore in silicio (ITk), con un Pixel Detector interno e uno Strip Detector esterno. Per il Pixel Detector sono state scelte due tecnologie di sensori: 3D e planare. I sensori 3D, più resistenti alla radiazione, saranno utilizzati nello strato più interno, mentre gli strati esterni impiegheranno sensori planari. I sensori 3D provengono da due fornitori: FBK (Italia) e SINTEF (Norvegia). Ogni sensore 3D è ibridato a un chip di lettura tramite bump-bonding per formare un modulo singolo, e tre moduli singoli sono assemblati su un circuito flessibile per creare un modulo tripletto. Il laboratorio INFN di Genova è uno dei pochi centri in cui avviene questo assemblaggio. La mia tesi si concentra sulla qualifica dei moduli pixel 3D. Inizialmente ho studiato prototipi e moduli singoli di pre-produzione montati su circuiti stampati, per poi estendere l’analisi ai moduli tripletti. Ho caratterizzato i moduli del laboratorio INFN di Genova, confrontando il crosstalk tra fornitori e le dimensioni delle celle. Successivamente, ho partecipato alla campagna di test del fascio durante la primavera 2025 presso il Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN, testando per la prima volta moduli tripletti non irradiati con un fascio di ioni da 120 GeV. I risultati hanno mostrato un’efficienza del 98,5%, superiore al requisito minimo ITk del 98% e in linea con i dati dei moduli singoli. Infine, ho contribuito alla preparazione dei campioni per l’irradiazione presso IRRAD del CERN e alla misurazione della fluenza ricevuta.

In view of the High Luminosity project at the Large Hadron Collider (HL-LHC) at CERN, the ATLAS tracking system will be completely replaced by an all-silicon detector (so called ITk) composed by a Pixel Detector in the innermost part and a Strip Detector in the outermost one. Regarding the Pixel Detector, two different sensor technologies have been chosen: 3D and planar. Due to their radiation hardness, 3D pixel sensors will instrument the innermost layer, while the other layers will use planar sensors. The 3D sensors are produced by two vendors: Fondazione Bruno Kessler (FBK, Italy) and Stiftelsen for industriell og teknisk forskning (SINTEF, Norway). Each 3D sensor is hybridized via a bump-bonding technique to a readout chip to form the so-called single bare module, and three bare modules are then assembled together by a flex circuit to form a triplet module. The INFN Genoa laboratory is one of the few places where this assembly is done. My thesis focuses on the qualification of 3D pixel modules. While preliminary studies were done on prototypes and pre-production single bare modules mounted on Printed Circuit Boards, I extended the analysis to triplet modules with final production parts. First, I characterized the modules in the INFN Genoa laboratory. In particular, my task has been to characterize and compare the crosstalk between different vendors and cell size. Then, I contributed to the data taking in the Spring 2025 test beam campaign at the Super Proton Synchrotron (SPS) at CERN, testing for the first time unirradiated triplet modules with a 120 GeV pions beam and obtaining an efficiency of 98.5 %, thus achieving the minimum ITk requirements to have an efficiency of 98 % and compatible with previous results from single bare modules. Furthermore, I have contributed to prepare the samples to be irradiated at IRRAD at CERN and I have then measured the received fluence.