The Mu3e vertex detector - construction, cooling, and first prototype operation

Thomas Theodor Rudzki
2022
The Mu3e experiment searches for the charged lepton flavor violating decay µ + → e + e − e + with an aimed single event sensitivity of 2 • 10 −15 in phase I. To achieve this goal, the highest momentum resolution possible is approached, which is mainly affected by multiple Coulomb scattering. This results in extremely tight constraints on the material budget to the level of 0.1 % radiation length per layer for the tracking detector. The Mu3e pixel detector is based on High-Voltage Monolithic
more » ... ve Pixel Sensors (HV-MAPS) developed for this project, the MuPix, which can be thinned to 50 µm. The electrical services and the support are realized by ultra-thin (≈ 80 µm) structured aluminum-polyimide laminates. Furthermore, the detector is cooled by gaseous helium, a novelty for particle detectors. This thesis covers the construction of detector mock-ups in preparation for the final production of the Mu3e vertex detector, the studies of the helium cooling system, and the operation of a first functional prototype of the Mu3e vertex detector. The mock-up construction demonstrated that an excellent longitudinal chip placement precision of σ = 4 µm and a lateral precision of σ = 3 µm is achieved with a manual approach. An average glue thickness of only (5.3 ± 1.7) µm for the joint between chips and laminates is realized. The helium cooling system is verified to be sufficient to cool the Mu3e vertex detector. To prove this, the thermal-mechanical mock-ups were heated actively and cooled by the helium cooling system. For a heat dissipation of 350 mW/cm 2 , all chip temperatures are found to be below 70 • C for an inlet helium temperature of 0 • C. The temperature change during heating up and cooling down can be described by a time constant of about 2 s to 3 s. A first functional vertex detector prototype has been operated under Mu3e-like conditions. The communication with the vertex detector and the readout of its hits is performed by the Mu3e DAQ, which is proven to be functional. The hits from different portions of the detector are correlated, and the results are in agreement with the expectation for all the target geometries that have been used. The conceptual detector design and the functionality of the novel detector cooling system are validated, which paves the way for the detector production in 2022. ix Kurzzusammenfassung Das Mu3e-Experiment sucht, mit einer angestrebten Sensitivität von einem Signalzerfall in 2 • 10 −15 Zerfällen in Phase I, nach dem Leptonfamilienzahlverletzenden Zerfall µ + → e + e − e + . Um dieses Ziel zu erreichen, wird die bestmögliche Impulsauflösung angestrebt, die hauptsächlich von Coulomb-Vielfachstreuung limitiert wird. Das führt zu einer starken Begrenzung der erlaubten Materialdicke von nur 0.1 % einer Strahlenlänge pro Detektor-Lage. Der Mu3e-Pixel-Detektor baut auf Hochspannungsgetriebenen monolithischen aktiven Pixelsensoren (kurz: HV-MAPS) auf, die speziell für dieses Projekt entwickelt wurden. Diese sog. MuPix-Sensoren können auf eine Dicke von nur 50 µm gedünnt werden. Die elektrischen Leitungen sowie die Halterung des Detektors werden durch sehr dünne Aluminium-Polyimid-Folien (80 µm) realisiert. Gekühlt wird der Detektor durch ein Kühlsystem, das auf gasförmigem Helium beruht, einer Neuheit im Feld der Teilchenphysik. Diese Arbeit umfasst, neben der Konstruktion von Detektormodellen, welche die finale Produktion des Mu3e-Vertex-Detektors vorbereiten, Studien der Helium-Kühlung und den Betrieb eines ersten funktionellen Prototypen des Mu3e-Vertex-Detektors. Die manuelle Konstruktion von Detektormodellen hat eine ausgezeichnete Präzision bei der Positionierung von Sensoren von σ = 4 µm in longitudinaler und σ = 3 µm in lateraler Richtung vorgeführt. Bei der Klebung von Sensoren und Leiter-Folie wurde eine durchschnittliche Klebedicke von nur (5.3 ± 1.7) µm erreicht. Es konnte gezeigt werden, dass das Helium-Kühlsystem den gesetzten Anforderungen genügt. Bei Messungen mit beheizbaren Detektormodellen mit einer Heizdichte von 350 mW/cm 2 war die Temperatur aller Chips bei unter 70 • C für eine Eingangstemperatur von 0 • C des Gases. Der Temperaturänderung der Chips kann durch eine Zeitkonstante von ungefähr 2 s bis 3 s beschrieben werden. Ein erster funktionsfähiger Vertex-Detektor-Prototyp konnte unter Mu3e-nahen Bedingungen betrieben werden. Die Kommunikation mit dem Detektor und die Auslese von Daten durch die Mu3e-DAQ konnte deren Funktionsfähigkeit verifizieren. Die aufgenommen Teilchentreffer in verschieden Teilen des Detektors waren miteinander korreliert. Die gemessenen Korrelationsdaten entsprechen den Erwartungen für die verwendeten Targetgeometrien. Sowohl die Realisierbarkeit des Detektordesigns als auch die Funktionalität des neuartigen Kühlkonzepts konnten erfolgreich bestätigt werden. Beides ebnet den Weg für den Start der Detektorkonstruktion im Jahr 2022.
doi:10.11588/heidok.00031602 fatcat:73u262owrzg27gegg6qdyptiom