Characterisation, optimisation and performance studies of pixel vertex detector modules for the Belle II experiment

by Philipp Wieduwilt
Doctoral thesis
Date of Examination:2021-05-03
Date of issue:2021-10-13
Advisor:Prof. Dr. Ariane Frey
Referee:Prof. Dr. Ariane Frey
Referee:PD Dr. Jörn Große-Knetter
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8871

 

 

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Abstract

English

The Standard Model of particle physics is very successful in describing the fundamental particles and their interactions. Still, some questions regarding the details and input parameters of the theory, as well as regarding to date unsatisfactorily described phenomena are to be answered. Today’s high-energy physics experiments probe this new physics. The Belle II experiment at the SuperKEKB e+e−-collider in Japan explores the precision frontier, measuring the properties of particle interactions at great detail. The precise and abundant study of decays of B-mesons is a particularly good window to seek answers to the open questions of electro-weak interactions. Precise measurements in Belle II are possible in particular with a silicon pixel detector located very close to the interaction region of the electrons and positrons. The pixel detector is based on the depleted field-effect transistor (DEPFET) technology, which is employed for the first time in a high-energy physics experiment. Modules for the Belle II pixel detector were produced. A characterisation and optimisation procedure for these modules was developed in the scope of this thesis. A number of 17 modules have been processed according to this program, and the qualification criteria for the installation in Belle II have been determined. In addition, the performance of detector modules has been evaluated in beam tests. It is demonstrated that the optimisation procedure yields consistent characteristics among the tested modules. Signal-to-noise ratios of 20 to 40 are achieved at an in-pixel amplification factor of about 500 pA/electron in the DEPFET cell. The intrinsic spatial resolution is measured to be in the order of 10 μm, depending on pixel pitch and incidence angles, with a hit efficiency of 99.6 %. The module performance is in good agreement with the design goals and the requirements for the Belle II pixel detector are met.
Keywords: Belle II; DEPFET; Particle tracking detectors; Intrinsic spatial resolution; Detection efficiency

German

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt sehr erfolgreich die fundamentalen Teilchen und ihre Wechselwirkungen. Dennoch bleiben einige Fragen bezüglich Details und Parameter der Theorie bislang unbeantwortet. Einige Phänomene, wie beispielsweise Dunkle Materie oder Quantengravitation, sind bisher nicht, oder nur unzureichend beschrieben. Heutige Hochenergiephysikexperimente erforschen diese neue Physik in Teilchenkollisionen. Das Belle II-Experiment am SuperKEKB e+e−-Beschleuniger in Japan untersucht die Eigenschaften von Teilchenwechselwirkungen mit höchster Präzision, um so die Grenzen der bisherigen Theorie zu erweitern und Parameter des Standardmodells genauer zu bestimmen. Die genaue Beobachtung von zahlreichen Zerfällen von B-Mesonen ermöglicht es, offene Fragen der elektroschwachen Wechselwirkung zu beantworten. Präzisionsmessungen im Belle II Experiment werden insbesondere durch einen Silizium-Pixeldetektor ermöglicht, der sehr nah am Wechselwirkungspunkt der Teilchenkollisionen positioniert ist. Der Pixeldetektor basiert auf der depleted field-effect transistor (DEPFET) Technologie, die hier zum ersten Mal in einem Hochenergiephysikexperiment zum Einsatz kommt. Für den Belle II Pixeldetektor wurden auf dieser Technologie basierende Module produziert. Eine genaue Charakterisierungs- und Optimierungsprozedur für diese Module wurde im Rahmen dieser Dissertation entwickelt. Insgesamt 17 dieser Module wurden diesem Messprogramm im Verlauf dieser Arbeit unterzogen und die Qualifikation jedes einzelnen Moduls für den finalen Detektor wurde geprüft. Detailierte Untersuchungen des Verhaltens der Detektormodule wurden in Teststrahlmessungen durchgeführt. Die Optimierungsprozedur liefert konsistente Resultate zwischen den getesteten Modulen mit Signal-Rausch-Verhältnissen im Bereich von 20 bis 40 bei einem Inpixel-Verstärkungsfaktor von etwa 500 pA/electron. Die intrinsische Ortsauflösung der Detektormodule wurde zu etwa 10 μm gemessen, abhängig vom Einfallswinkel der Teilchen, bei einer Detektionseffizienz von 99.6 %. Das gemessene Verhalten entspricht den Erwartungen des Moduldesigns und die Voraussetzungen an den Belle II Pixeldetektor werden mit dem vorliegenden Moduldesign erfüllt.
 
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