Sensores semicondutores ultra-rápidos para aplicações em medidas de tempo e trajetória de alta precisão

• Processo: 25/03411-9
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de julho de 2025
• Data de Término da vigência: 31 de maio de 2027
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física das Partículas Elementares e Campos
• Proposta de Mobilidade: SPRINT - Projetos de pesquisa - Mobilidade
• Pesquisador responsável: Marco Aurelio Lisboa Leite
• Beneficiário: Marco Aurelio Lisboa Leite
• Pesquisador Responsável no exterior: Mei Zhao
• Instituição Parceira no exterior: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, China
• Pesquisador Responsável no exterior: Zhijun Liang
• Instituição Parceira no exterior: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, China
• Instituição Sede: Instituto de Física (IF). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 20/04867-2 - Física e instrumentação de altas energias com o LHC-CERN, AP.ESP
• Assunto(s): Grande Colisor de Hádrons Radiação síncrotron Física experimental de altas energias
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Experimento ATLAS | Lgad Ac-Lgad Ti-Lgad | Lhc | Radiação Síncrotron | Sensores semicondutores | Ufsd | Física experimental de altas energias

Resumo

Para responder à demanda por medições de alta precisão em um ambiente de alta luminosidade no Grande Colisor de Hádrons (LHC), uma ampla atualização do detector e seus sistemas associados foi proposta e está em andamento pelos experimentos, tendo como elemento-chave a capacidade de realizar a reconstrução de trajetórias de partículas em quatro dimensões (4D). Esta nova metodologia permitirá que os experimentos enfrentem o empilhamento proveniente de mais de 200 colisões simultâneas por cruzamento de feixe, que acontece a cada 25 ns, adicionando informações de tempo medido com alta precisão ao processo de associação traço-vértice durante a reconstrução. No entanto, este tempo deve ser medido com uma precisão de algumas dezenas de picossegundos, um feito apenas recentemente alcançado pelo desenvolvimento dos detectores de silício ultra rápidos de última geração, cujo exemplo mais proeminente é encontrado nos Diodos de Avalanche de Baixo Ganho (LGAD). Uma limitação dos LGADs é que o pad de leitura do dispositivo deve ser muitas vezes maior que a espessura da camada de ganho (da ordem de 1 ou 2 micrômetros) para manter o campo elétrico uniforme, limitando os os pads a tamanhos milimétricos. Para superar a restrição atual da geometria LGAD, novas topologias de LGADS resistivos, LGAD com acoplamento AC e Trench Isolated (TI) LGADs foram recentemente propostas. Protótipos recentes desses dispositivos têm alcançado resolução espacial de 10 micrômetros ou menos, mantendo as excelentes características temporais dos LGADs. A possibilidade de fabricar sensores com resolução temporal de picossegundos e resolução espacial de alguns micrômetros permitirá que os experimentos propostos para os futuros colisores realizem a identificação de partículas em toda a cobertura de rapidez. Além disso, um resultado significativo derivado do desenvolvimento do LGAD é o potencial para medidas em luz síncrotron resolvidas no tempo. O ganho interno dos LGADs permite detectar energias de raios X muito baixas (1 keV ou menos), mantendo uma excelente relação sinal-ruído. A estrutura do feixe dos síncrotrons de quarta geração (como o Sirius em São Paulo e o HEPS em Beijing) são pulsos de fótons muito curtos (picossegundos) com alta taxa de repetição (500 MHz), permitindo que essas máquinas alcancem um brilho muito alto para a região dos raios X "soft". A detecção desses fótons requer sensores com resposta de tempo de poucos picossegundos, amplificação de carga interna e segmentação espacial micrométrica, desafios que estão exatamente alinhados com os desenvolvimentos dos LGAD para HL-LHC e futuros colisores. Nesta área, já existe uma forte colaboração entre os grupos Sirius e USP em São Paulo e os grupos HEPS e IHEP em Beijing, num esforço multidisciplinar para o desenvolvimento de instrumentação que proporcionará aos membros desta colaboração acesso a instalações científicas nacionais de ponta, algo que é ainda mais reforçada pelo CERN através da recém-formada colaboração DRD3, da qual os grupos proponentes participam. Os desenvolvimentos deste projeto terão impacto no projeto ATLAS HGTD apoiado pelo atual projeto FAPESP, pois a experiência adquirida na fabricação, processos, ferramentas de simulação e análise de dados podem ser utilizadas para a fase de integração e comissionamento do HGTD. Além disso, o estudo de sensores para as novas fontes de luz síncrotron também é um dos principais objetivos do projeto especial associado na USP e um dos principais temas de interesse do grupo IHEP em colaboração com o HEPS. (AU)