Characterization of final DEPFET modules for the new Pixel Vertex Detector and commissioning at the Belle II experiment

Leitl, Philipp (2024): Characterization of final DEPFET modules for the new Pixel Vertex Detector and commissioning at the Belle II experiment. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The Belle II particle physics experiment is located at the SuperKEKB e+e− collider in Japan. Its research focuses on the CP violation in B meson decays and addresses many open questions in electroweak interactions. The broad physics program also includes the search for new physics beyond the Standard Model of particle physics. An essential component of the Belle II detector for the physics mentioned above, most importantly for analyses of CP violation, is the Pixel Vertex Detector (PXD). The PXD is the innermost tracking device, surrounding the beam pipe, and provides a precise measurement of the decay vertices of B mesons and other weakly decaying particles. The PXD consists of two layers of silicon semiconductor modules with new Depleted P-channel Field Effect Transistor (DEPFET) pixels, used for the first time in a high energy physics experiment. This technology allows for an exceptionally thin active detector design of only 75 µm, achieving 15 µm impact parameter resolution and greater than 99 % detection efficiency. The PXD is an electronic device and must function properly as a subdetector of the larger Belle II electronic detector system. The first part of this thesis was the conduct of a test campaign to verify the electromagnetic compatibility (EMC) of the PXD module design. These were the first EMC measurements for a high energy physics pixel detector and also the first consideration of radiated noise from the beam pipe. After the design and prototyping phase, the module production for the final detector was started. The second part of this thesis was the development of the entire chain of test procedures and a comprehensive quality management including quality assurance software for the characterization and optimization of all production modules. The performance of 75 PXD modules was evaluated, of which 72 % achieved the highest grading after optimization. The third part of this thesis covers the assembly and commissioning of a first reduced version of the PXD at the Belle II experiment in Japan. Optimization of the module performance and operating software continued during operation. Following the occurrence of severe irradiation damage due to beam loss events, an automated detection algorithm was developed. Possible damage mechanisms were investigated and additional protection measures were implemented. The installed PXD successfully operated in the first physics data taking period of the Belle II experiment from 2019 to 2022. It reliably collected data of particular value for lifetime measurements and time-dependent CP violation analyses. During the shutdown period in 2022/23 the first PXD was replaced by PXD2, a complete successor, which will be the innermost tracking detector of Belle II for many years to come.

Abstract

Das Teilchenphysikexperiment Belle II befindet sich am SuperKEKB e+e− Beschleuniger in Japan. Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der Untersuchung der CP Verletzung im Zerfall von B Mesonen. Darüber hinaus behandelt es viele offene Fragen zur elektroschwachen Wechselwirkung. Das breite Physikprogramm umfasst auch die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Eine wesentliche Komponente des Belle II Teilchendetektors für das genannte Physikprogramm, insbesondere für die Analysen zur CP Verletzung, ist der Pixel Vertex Detektor (PXD). Der PXD ist der innerste Detektor für die Spurrekonstruktion. Er umschließt das Strahlrohr und liefert präzise Messungen der Zerfallsvertices von B Mesonen und anderen schwach zerfallenden Teilchen. Der PXD besteht aus zwei Lagen von Silizium-Halbleitermodulen mit neuartigen deplitierten p-Kanal-Feldeffekttransistor (DEPFET) Pixeln, die zum ersten Mal in einem Experiment der Hochenergiephysik eingesetzt werden. Diese Technologie ermöglicht ein außergewöhnlich dünnes aktives Detektordesign von nur 75 µm, wobei eine intrinsische Positionsauflösung von 15 µm und eine Detektionseffizienz von über 99 % erreicht werden. Der PXD ist ein elektronisches Gerät und muss als Teil des größeren elektronischen Detektorsystems Belle II funktionieren. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit bestand in der Durchführung einer Messkampagne zur Überprüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) des PXD Moduldesigns. Dies waren die ersten EMV Messungen an einem Pixeldetektor der Hochenergiephysik und die erste Berücksichtigung von Störungen, die von einem Strahlrohr abgestrahlt werden. Nach der Design- und Prototypenphase lief die Produktion der Module für den finalen Detektor an. Der zweite Teil dieser Arbeit bestand in der Entwicklung einer vollständigen Kette von Testverfahren und eines umfassenden Qualitätsmanagements einschließlich der Qualitätssicherungssoftware für die Charakterisierung und Optimierung aller produzierten Module. Die Leistung von 75 PXD Modulen wurde evaluiert, von denen nach der Optimierung 72 % die höchste Einstufung erreichten. Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Zusammenbau und der Inbetriebnahme einer ersten reduzierten Version des PXD am Belle II Experiment in Japan. Die Optimierung der Modulleistung und der Betriebssoftware wurde während des Betriebs fortgesetzt. Nach dem Auftreten gravierender Bestrahlungsschäden aufgrund von Strahlverlusten wurde ein automatischer Algorithmus zur Erkennung dieser Schäden entwickelt. Mögliche Schadensmechanismen wurden untersucht und zusätzliche Schutzmaßnahmen eingeführt. Der installierte PXD konnte in der ersten Phase der Datennahme des Belle II Experiments von 2019 bis 2022 erfolgreich betrieben werden. Er nahm zuverlässig Daten auf, die für Lebensdauermessungen und Analysen zur zeitabhängigen CP Verletzung von besonderem Wert sind. Während der Abschaltung des Beschleunigers 2022/23 wurde der erste PXD durch PXD2 ersetzt, einen vollständigen Nachfolger, der für viele kommende Jahre der innerste Detektor für die Spurrekonstruktion des Belle II Experiments sein wird.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: high energy particle physics, Belle II, Pixel Vertex Detector, DEPFET, EMC
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 4. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Kiesling, Christian