Low Gain Avalanche Detectors for the ATLAS High Granularity Timing Detector

Abstract

El Large Hadron Collider (LHC) de l’Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN), Ginebra, interromprà el seu funcionament el 2026, després de l’actual Run 3, per actualitzar-se al High Luminosity LHC (HL-LHC), proporcionant $p-p $ col·lisions amb un centre d’energia de massa $\sqrt{s}=$\SI{14}{\tera\electronvolt} i una lluminositat de 7,5 $\times$ 10$^{34}$cm$^{-2} $s$^{-1}$. A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) és un dels dos experiments de propòsit general a l’LHC, s’haurà d’actualitzar per tal de complir els requisits donats per la major lluminositat. Entre les diverses actualitzacions dels subdetectors ATLAS, el detector interior actual serà completament substituït per l’Inner Tracker (ITk), basat en detectors de silici amb una granularitat més fina i una duresa de radiació millorada. Un segon detector, el High Granularity Timing Detector (HGTD), proporcionarà informació de cronometratge de pistes i vèrtexs. La combinació de les mesures ITk i HGTD farà possible la resolució de vèrtexs propers a l’espai però separats en el temps, millorant les prestacions de reconstrucció d’ATLAS. En el context d’aquesta tesi, es va dur a terme un estudi de simulació preliminar per tal d’entendre l’impacte de l’HGTD en les anàlisis de Vector Boson Fusion (VBF). En aquesta tesi es descriu la tecnologia Low Gain Avalanche Detector (LGAD), amb la qual s’equiparà el detector HGTD. Aquesta tecnologia consisteix en detectors planars de silici n-on-p amb un elèctrode \emph{p-type} altament dopat dissenyat per augmentar el guany del sensor mitjançant la ionització d’impacte. Els sensors LGAD prims han mostrat una resolució temporal d’aproximadament \SI{30}{\pico\segon} en la detecció de partícules d’ionització mínima i aquesta tecnologia s’ha escollit com a línia de base per als sensors del detector HGTD. En el context d’aquesta tesi es van realitzar estudis de sensors LGAD produïts amb diferents enfocaments tant abans com després de la irradiació.

El Large Hadron Collider (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), Ginebra, interrumpirá su funcionamiento en 2026, después del actual Run 3, para actualizarse en el High Luminosity LHC (HL-LHC ), proporcionando $p-p $ colisiones con un centro de energía de masa $\sqrt{s}=$\SI{14}{\tera\electronvolt} y una luminosidad de 7,5 $\times$ 10$^ {34}$cm$^{-2} $s$^{-1}$. En Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) es uno de los dos experimentos de propósito general en el LHC, deberá actualizarse para cumplir los requisitos dados por la mayor luminosidad. Entre las diversas actualizaciones de los subdetectores ATLAS, el detector interior actual será completamente sustituido por el Inner Tracker (ITk), basado en detectores de silicio con una granularidad más fina y una dureza de radiación mejorada. Un segundo detector, el High Granularity Timing Detector (HGTD), proporcionará información de cronometraje de pistas y vértices. La combinación de las medidas ITk y HGTD hará posible la resolución de vértices cercanos al espacio pero separados en el tiempo, mejorando las prestaciones de reconstrucción de ATLAS. En el contexto de esta tesis, se llevó a cabo un estudio de simulación preliminar para entender el impacto de la HGTD en los análisis de Vector Boson Fusion (VBF). En esta tesis se describe la tecnología Low Gain Avalanche Detector (LGAD), con la que se equipará el detector HGTD. Esta tecnología consiste en detectores planares de silicio n-on-p con un electrodo \emph{p-type} altamente dopado diseñado para aumentar la ganancia del sensor mediante la ionización de impacto. Los sensores LGAD delgados han mostrado una resolución temporal de aproximadamente \SI{30}{\pico\segundo} en la detección de partículas de ionización mínima y esta tecnología se ha escogido como línea de base para los sensores del detector HGTD . En el contexto de esta tesis se realizaron estudios de sensores LGAD producidos con distintos enfoques tanto antes como después de la irradiación.

The Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Nuclear Research (CERN), Geneva, will interrupt its operation in 2026, after the current Run 3, to be upgraded to the High Luminosity LHC (HL-LHC), providing $p-p$ collisions with a center of mass energy $\sqrt{s}=$\SI{14}{\tera\electronvolt} and a luminosity of 7.5 $\times$ 10$^{34}$cm$^{-2}$s$^{-1}$. A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) is one of the two general purpose experiments at the LHC, will have to be upgraded in order to meet the requirements given by the larger luminosity. Among the several upgrades of the ATLAS sub-detectors, the current Inner Detector will be fully replaced by the Inner Tracker (ITk), based on silicon detectors with a finer granularity and improved radiation hardness. A second detector, the High Granularity Timing Detector (HGTD), will provide timing information of tracks and vertices. The combination of the ITk and HGTD measurements will make possible the resolution of vertices close in space but separated in time, improving the ATLAS reconstruction performances. In the context of this thesis, a preliminary simulation study was carried out in order to understand the impact of the HGTD on the Vector Boson Fusion (VBF) analyses. In this thesis the Low Gain Avalanche Detector (LGAD) technology, with which the HGTD detector will be instrumented, will be described. This technology consists of planar n-on-p silicon detectors with highly doped \emph{p-type} electrode designed to increase the sensor gain through impact ionization. Thin LGAD sensors have shown a time resolution of about \SI{30}{\pico\second} on the detection of minimum ionization particles and this technology has been chosen as the baseline for the sensors of the HGTD detector. Studies of LGAD sensors produced with different approaches both before and after irradiation were performed in the context of this thesis.