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Search for the associated production of the Higgs boson with a top-quark pair (vol 9, 087, 2014): Erratum
No full textErratum to: JHEP09(2014)087Khachatryan, V., Sirunyan, AM., Tumasyan, A., Adam, W., Bergauer, T., Dragicevic, M., Ero, J., Fabjan, C., Friedl, M., Fruhwirth, R., Ghete, VM., Hartl, C., Hormann, N., Hrubec, J., Jeitler, M., Kiesenhofer, W., Knunz, V., Krammer, M., Kratschmer, I., Liko, D., Mikulec, I., Rabady, D., Rahbaran, B., Rohringer, H., Schofbeck, R., Strauss, J., Taurok, A., Treberer-Treberspurg, W., The CMS Collaboratio
Evidence for the 125 GeV Higgs boson decaying to a pair of τ leptons
No full textOpen Access. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0), which permits any use, distribution and reproduction in any medium, provided the original author(s) and source are credited.A search for a standard model Higgs boson decaying into a pair of τ leptons is performed using events recorded by the CMS experiment at the LHC in 2011 and 2012. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 4.9 fb−1 at a centre-of-mass energy of 7 TeV and 19.7 fb−1 at 8 TeV. Each τ lepton decays hadronically or leptonically to an electron or a muon, leading to six different final states for the τ -lepton pair, all considered in this analysis. An excess of events is observed over the expected background contributions, with a local significance larger than 3 standard deviations for m H values between 115 and 130 GeV. The best fit of the observed H → τ τ signal cross section times branching fraction for m H = 125 GeV is 0.78 ± 0.27 times the standard model expectation. These observations constitute evidence for the 125 GeV Higgs boson decaying to a pair of τ leptons
Characterisation of interstrip parameters on silicon sensors for the Belle II vertex detector
No full textDer Belle II Detektor des SuperKEKB Beschleunigers am Forschungszentrum f¨ur Hochenergiephysik in Tsukuba, Japan ist speziell f¨ur die Beobachtung von CP Verletzenden Prozessen von B-Mesonen ausgelegt. SuperKEKB ist ein Synchrotron, das Elektronen und Positronen auf jeweils 7.0 GeV und 4.0 GeV beschleunigt. Die innersten Schichten des BELLE II Detektors bilden Silizium-Halbleiterdetektoren, sowohl im Pixel Detektor (PXD), als auch im Silicon Vertex Detector (SVD). Hauptaugenmerk dieser Diplomarbeit war es, elektrische Messungen an Prototypen der Siliziumstreifendetektoren f¨ur den SVD durchzuf¨uhren.Die Messungen wurden am Quality Test Center (QTC) am Institut f¨ur Hochenergiephysik (HEPHY) in Wien durchgef¨uhrt. Insbesondere wurden neue Messmethoden entwickelt und getestet. Die Messungen des Zwischenstreifenwiderstandes und der Zwischenstreifenkapzit¨at wurden speziell f¨ur die QTC entwickelt, um aktiv zur zuk¨unftigen Qualit¨atssicherung von Siliziumdetektoren beizutragen.Zwei Haupttypen von Sensoren von zwei unterschiedlichen Anbietern waren Gegenstand intensiver messtechnischer Untersuchungen. Aufgrund der Asymmetrie des SuperKEKB Beschleunigers besteht der SVD aus rechteckigen und trapezoiden Sensoren, welche von Hamamatsu Photonics und Micron Semiconductor gefertig werden und zu den doppelseitigen Siliziumsensoren z¨ahlen. Verschiedene LabView-gest¨utzte Messverfahren zur Bestimmung des Zwischenstreifenwiderstandes und frequenzabh¨angige Kapazit¨atsmessungen zur Bestimmung der Zwischenstreifenkapazit ¨at wurden vom Autor entwickelt und durchgef¨uhrt. Die Ergebnisse wurden mit den Spezifikationen aus dem Belle II Technical Design Report und anderen Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Im Zuge intensiver Messreihen sind auch diverse Sensor-spezifische Messeffekte untersucht und die Grenzen der Messgenauigkeit bestimmt und erweitert worden.Die Resultate dieser Diplomarbeit werden in die Weiterentwicklung der QTC am HEPHY Wien und zur zuk¨unftigen Qualit¨atssicherung von Siliziumstreifendetektoren f¨ur internationale Experimente der Hochenergiephysik einfließen. Sie liefern außerdem die Motivation f¨ur tiefere theoretische Untersuchungen von doppelseitigen Siliziumstreifendetektoren.The Belle II experiment at the SuperKEKB-Factory is designed to investigate CP violation in the quark sector. SuperKEKB is an asymmetric electron-positron collider, colliding 7.0 GeV and 4.0 GeV electrons and positrons. The innermost part of the Belle II detector consists of a pixel detector (PXD) and the Silicon Vertex Detector (SVD). Both the PXD and the SVD consist of silicon detectors. In this diploma thesis, different electrical measurements on the prototypes of silicon strip detectors for the SVD were performed.The author employed the Quality Test Center (QTC) at the HEPHY Vienna to develop new measurement methods for silicon strip sensors. The measurements of the interstrip resistance and the interstrip capacitance are new measurement methods that are subject to be incorporated into future quality assurance at the QTC.The measurements were performed on rectangular sensors from Hamamatsu Photonics and on wedge sensors from Micron Semiconductor. Two differently shaped sensor types are the result of the asymmetry of the SuperKEKB collider. Both sensor types are double sided silicon sensors.The author has developed three measurement methods implemented in LabView to measure the interstrip resistance and has performed frequency dependent capacitance measurements to determine the interstrip capacitance. The results of these measurements have been cross checked with specifications given in the Belle II Technical Design Report and compared to results of publications of similar measurements by different work groups. In addition, the author has investigated sensor related effects that influence the measurement and has tried to improve the measurement accuracy.The findings of this diploma thesis will be important for future operation and improvement of the QTC Vienna, in order to perform quality assurance for serial production sensors, destined to be operated in high energy particle experiments all over the world.Also, they contribute to better understand double sided silicon detectors
Produktion der Sensor-Leitern für den Belle II Silizium-Vertexdetektor
No full textDas Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) ist beauftragt, spezielle Komponenten (sogenannte 'L5 Ladders') für den Silizium Streifen Detektor des Belle II Experimentes in Tsukuba, Japan anzufertigen. Die Aufgabe des Silizium Streifen Detektors ist es, geladene Teilchen mikrometergenau zu detektieren. Die Teilchen entstehen am Ort des Zusammenstoßes (dem sogenannten Interaction Point) beider, in entgegengesetzter Richtung umlaufender Teilchenstrahlen. Die L5 Ladders bestehen aus Silizium Sensoren, Ausleseelektronik und einiger anderer Komponenten, welche für die elektrische und mechanische Funktion notwendig sind. Die angestrebte mechanische Genauigkeit einer fertiggestellten L5 Ladder liegt bei weniger als einhundert Mikrometer. Der Autor entwickelt ein vollständiges Konzept für die Produktion der L5 ladders und fertigt anschließend in einem eigens dafür eingerichteten Reinraum ('Module Reinraum') am HEPHY mehrere Prototypen an. Das Konzept beinhaltet den ausführlichen Arbeitsablauf des Produktionsprozesses, inklusive einiger Messungen zur Überprüfung der Genauigkeit und Funktion der Ladder, zwischen einzelnen Schritten. Als Vorbereitung für die Produktion werden notwendige Geräte und Werkzeuge aufgebaut und programmiert. Messmethoden für mechanische Genauigkeitsmessungen werden entwickelt und angewendet. Die Messwerte werden vom Autor analysiert, visualisiert und anschließend mit den Daten der einzelnen Prototypen verglichen. Jeder Schritt des Produktionsprozesses wird während der Ausführung überwacht um dem Autor die kontinuierliche Verbesserung des Aufbaus und der Prozedur zu ermöglichen. Nach der Fertigstellung eines Prototypen zeigen die Messungen die erreichte mechanische Genauigkeit. Diese Information wird benutzt um weitere Feineinstellungen und Anpassungen vorzunehmen. Eine zunehmende Verbesserung der mechanischen Genauigkeit von Prototyp zu Prototyp kann beobachtet werden. Die zuletzt gefertigte Ladder weist Abweichungen der Sensoren von ihrer Nominalposition von weniger als einhundert Mikrometer auf. Dieser Abweichungen liegen deutlich unter den Toleranzgrenzen und die Prototypenproduktion gilt daher als sehr erfolgreich.The Institute of High Energy Physics (HEPHY) is in charge of building components (so called -L5 ladders-) for the Silicon Vertex Detector of the Belle II experiment in Tsukuba, Japan. It is the successor to the well established Belle detector. This detector tracks charged particles with a precision of a few micrometers in the vicinity of the interaction point and plays a crucial role in the experiment. The L5 ladders consist of silicon sensors (the active part of the detector), front end readout chips and a few other components, necessary for the electric and mechanic function of the ladder. The target mechanical accuracy of the assembly is in the order of a few tens of micrometers. The author develops a concept for the production of the L5 ladders in HEPHY's module cleanroom. This involves the design of a work flow chart of the production process with continuous quality control and setting up/programming the tools, devices and machines needed for the production. Different prototypes are built with this setup and measurement methods are developed and applied to verify the mechanical accuracy of the production process. The author analyses, visualizes and compares the measurement data of each prototype with each other. During the production of the prototypes, each step is closely reviewed. This allows the author to refine the setup and procedures. After the production, the analysis of the measurement data shows information of the achieved mechanical accuracy. This information is used to discover further possibilities of mechanical improvements. By repeating this process, it can be seen that the mechanical accuracy of a ladder is improved each time. The latest ladder prototype features mechanical offsets of the silicon sensors of less than 100 micrometer. This is a successful result which is within the limits of the maximum sensor tolerances
Entwicklung von großflächigen Siliziumdetektoren für das "High Granularity" Kalorimeter von CMS
No full textDer Large Hadron Collider (LHC) befindet sich am CERN, der europäischen Organisation für Kernforschung. Der LHC ist der größte Kreisbeschleuniger der Welt. Er beschleunigt Protonen zu einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV und lässt diese kollidieren. Aus diesem Prozess werden grundlegende Informationen über die Wechselwirkung von Teilchen und die fundamentalen Naturgesetze gewonnen. Das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment befindet sich an einem der vier Interaktionspunkte des LHC. Mitte der 2020er Jahre wird die Kollisionsrate am LHC und damit die Menge an gesammelten Daten signifikant erhöht. Durch diese Erhöhung können statistisch seltenere Zerfälle von Teilchen beobachtet und vom Hintergrund besser unterschieden werden. Diese neue Betriebsphase wird High-Luminosity-LHC (HL-LHC) genannt. Um die Detektoren des CMS Experiments in dieser neuen Phase betreiben zu können, müssen einige Systeme erneuert und verbessert werden. Diese Erneuerung wird CMS Phase II upgrade genannt. Ein Teil dieses Projekts ist der vollständige Ersatz der gegenwärtigen elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeterendkappe durch ein komplett erneuertes, innovatives und komplexes System, das High Granularity Calorimeter (HGCal). Das Kalorimeter ist als ein Sampling-Kalorimeter mit einer Gesamtfläche von ungefähr 600 m2 aus planaren, großflächigen Siliziumsensoren als aktivem Detektormaterial konzipiert. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung großflächiger hexagonaler Siliziumdetektoren für das Kalorimeter. Auf Grund der Ergebnisse in dieser Doktorarbeit und der Arbeit des Instituts für Hochenergiephysik (HEPHY), konnte die Standardgröße von Siliziumdetektoren für das HGCal von 6-Zoll auf 8-Zoll erhöht werden. Um die Machbarkeit von 8-Zoll Detektoren für das Kalorimeter zu zeigen, entwickelte der Autor 8-Zoll Demonstrationssensoren für das HGCal. Das Layout der Detektoren wurde durch das Programmieren von Skripten erstellt, welche jedes Polygon jeder einzelnen Detektormaske genau definieren. Die Masken werden für die einzelnen Lithographieschritte in der Produktion der Siliziumdetektoren benötigt. Dieses Design wurde von Infineon Technologies Austria AG verwendet, um 8-Zoll HGCal Demonstrationsdetektoren zu produzieren. Die Dissertation präsentiert die Layoutdetails und vergleicht ausgewählte Detektoren mit Hilfe mehrerer verschiedener Stromund Kapazitätsmesstechniken. Basierend auf dem Erfolg der Demonstrationssensoren wird das Design mit Hilfe von TCAD Simulationen optimiert. Dabei werden Geometrieparameter variiert, um die Hochspannungsfestigkeit der Sensoren zu erhöhen. Diese Information ist ein wertvoller Teil des neuen Prototypdesigns, das vom Author erschaffen wurde. Das optimierte Design wird von allen Herstellern benutzt werden, die HGCal Detektoren mit 192 Pads produzieren. Die Detektoren mit diesem Design sollen letztendlich in das High Granularity Calorimeter eingebaut werden. Detektoren in einem Kalorimeter sind einer hohen Strahlungsbelastung ausgesetzt. Das Verständnis der Auswirkungen von Strahlungsschäden in Silizium und die Beschreibung dieser mit Hilfe von TCAD Simulationen, sind wichtig für die Entscheidung welche Art von Siliziumdetektoren letztendlich für das Kalorimeter benutzt werden. Der Autor untersucht die Auswirkung von Strahlungsschäden in Siliziumdetektoren mit unterschiedlicher Dicke, Resistivität und Polarität des Grundmaterials. Um die Qualität der Simulationsergebnisse zu verbessern, werden Messungen an Teststrukturen durchgeführt, damit für die Simulation relevante Parameter extrahiert werden können. Vier verschiedene Bestrahlungsmodelle werden in Hinblick auf Strom, Kapazität und Ladungssammlungseffizienz nach Bestrahlung verglichen.The Large Hadron Collider (LHC) is located at CERN, the European Organization for Nuclear Research. The LHC is the worlds largest circular particle collider and collides protons at a centre of mass energy of 13TeV. This process gives information about the interaction of particles and provides insights into the fundamental laws of nature. The Compact Muon Solenoid (CMS) experiment is located at one of the four interaction points of the LHC. The LHC will increase its proton-proton collision rate in the mid 2020s. With the resulting increase of collision data, rare decays of particles can be distinguished from the background more easily. This new phase of operation is called High Luminosity-LHC (HL-LHC). To be able to operate the detectors of the CMS experiment in this new phase, several systems have to be upgraded. This upgrade is called CMS Phase II upgrade. As part of this upgrade, the current electromagnetic and hadronic endcap calorimeter will be replaced with the High Granularity Calorimeter (HGCal). The device is designed as a sampling calorimeter with planar, large-area silicon sensors as active detector material, covering a total area of 600m2. The main goal of this thesis is the development of large hexagonal silicon sensors for the calorimeter upgrade. Because of the work presented in this thesis and the work of the Institut of High Energy Physics (HEPHY), the size of the silicon sensors for the HGCal shifted from 6-inch to 8-inch. To show the feasibility of an 8-inch sensor production, the author designed an 8-inch HGCal demonstrator sensor by the programming of scripts that define the geometry of each polygon of all lithography masks needed for the various production steps of a silicon device. Using this design, Infineon Technologies Austria AG manufactured a batch of 8-inch HGCal demonstrator sensors. The thesis presents the design details and shows a comparison of selected sensors. These sensors are compared using several different measurement techniques, comprising various current and capacitance measurements. Based on the success of the demonstrator, the design is optimised using TCAD simulations. Parameters defining the geometry are varied to optimise the high-voltage stability of the device. This information is a crucial part of a new prototype design created by the author. The design will be used by all vendors producing HGCal sensors segmented into 192 pads. The sensors with the optimised design will be implemented in the High Granularity Calorimeter. Sensors in the calorimeter will be exposed to high irradiation. Understanding and describing the effects of irradiation damage in silicon using TCAD simulations is important for the desicion what kind of silicon sensors to use. The effect of irradiation damage in silicon devices with different thickness, resistivity, and bulk polarity is investigated by the author. To improve the predictive quality of the simulations, test structure measurements are conducted to extract parameters relevant for simulation. Furthermore, several different irradiation models are compared with regard to their ability to reproduce the current, capacitance, and charge collection efficiency after irradiation
Development and testing of depleted monolithic active pixel sensors in 180 nm CMOS technology for the belle II VTX upgrade
No full textDepleted Monolithic Active Pixel Sensors (DMAPS) have been the subject of in-creasing interest in detector research for particle physics in recent years. New high-resistivity, mixed-signal silicon manufacturing processes enable pixel sensors with not only analog signal amplification but powerful digital data processing. This is a major simplification compared to the conventional hybrid sensor approach. With DMAPS, a single piece of silicon is the active sensing element, and only a few data-and power connections per chip to the data acquisition system are required.The Belle II experiment is located at the SuperKEKB collider in Japan. Electrons and positrons collide with a center of mass energy of 10.58 GeV at extreme luminosity. A key objective is high-precision measurement of the standard model with a special focus on the b-sector. To allow the desired precision, a minimal material budget is required for the detector to reduce multiple scattering as much as possible. Therefore, DMAPS are a perfect candidate for upgrading the Belle II Vertex detector.The Optimized BeLle Ii piXel sensor (OBELIX) is a DMAPS chip currently under development, intended for the upgrade of the Belle II Vertex detector scheduled for 2032. The OBELIX chip is based on the TJ-Monopix2 small-electrode DMAPSchip and uses a modification of the Tower 180 nm imaging CMOS technology.While the pixel matrix of OBELIX is inherited from TJ-Monopix2 with only small adaptations, the periphery is thoroughly reworked. The OBELIX chip contains voltage regulators and a monitoring system with multiple temperature sensors and taps to measure voltage drop on chip. On the digital side of the periphery, the complete data processing is newly implemented. This includes a trigger memory to match the requirements for Belle II. In addition, a precision timing module allows for increased time resolution. The chip is also capable of sending low-granularity hit-data to the first-level trigger system of Belle II in parallel to normal operation.This thesis focuses on the the development of the digital periphery of the OBELIX chip while also giving insight into the whole upgrade project and the other features of the OBELIX chip. The design is explained in technical detail, and simulations are conducted for performance evaluation at nominal- and over-load conditions. In particular, the author has implemented all of the new features of the digital periphery. This includes the trigger memory with performance simulations using realistic data patterns. Furthermore, the author conceptualized and implemented the precision timing module as well as the module for contribution to the Belle II first level trigger.The performance of the TJ-Monopix2 chip has been evaluated using laboratory measurements and test-beams by the author. The timing measurements and analyses have been performed by the author, and significant contributions have been made to the efficiency measurements at the test-beams, which were a group effort.The resulting data is used to refine the simulations and the design of OBELIX.Depleted Monolithic Active Pixel Sensors (DMAPS) haben in den letzten Jahren in der Hochenergiephysik an Bedeutung gewonnen. Neue Herstellungsverfahren für Microchips mit hoher Reinheit ermöglichen Pixelsensoren, die nicht nur analoge-, sondern auch digitale Datenverarbeitung bieten. Dies ist eine erhebliche Vereinfachung gegenüber dem herkömmlichen Hybridsensoransatz. Bei DMAPS ist ein einzelner Chip das Sensorelement, und nur wenige Daten- und Versorgungsverbindungen zum Datenerfassungssystem sind erforderlich. Das Belle II Experiment befindet sich am SuperKEKB-Collider in Japan. Elektronen und Positronen kollidieren mit einer Schwerpunktsenergie von 10.58 GeV bei extremer Luminosität. Ein Hauptziel sind Präzisionsmessungen des Standardmodells mit Focus auf den b-Sektor. Um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen, ist ein minimales Materialbudget für den Detektor erforderlich. Daher sind DMAPS ein idealer Kandidat für ein Upgrade des Belle II Vertex-Detektors. Der Optimized BeLle Ii piXel Sensor (OBELIX) ist ein DMAPS Chip derzeit in Entwicklung, und für dieses Upgrade im Jahr 2032 vorgesehen ist. OBELIX basiert auf TJ-Monopix2 mit kleinen Elektroden und verwendet eine Modifikation der Tower 180 nm CMOS Imaging Technologie. Während die OBELIX Pixelmatrix mit geringfügigen Anpassungen von TJ-Monopix2 übernommen wurde, wurde die Peripherie grundlegend überarbeitet. OBELIX enthält Spannungsregler und ein Monitoringsystem mit mehreren Temperatursensoren und Spannungsabfallmessung. Die gesamte digitale Datenverarbeitungskette wurde neu implementiert. Dazu gehört ein Triggerspeicher, der den Anforderungen von Belle II entspricht. Darüber hinaus ermöglicht ein Präzisions-Timing-Modul eine verbesserte Zeitauflösung. Der Chip erlaubt parallel zum normalen Betrieb reduzierte Hit-Daten an das Level 1 Triggersystem zu senden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung der digitalen Peripherie des OBELIX-Chips und gibt gleichzeitig einen Einblick in das gesamte Upgrade-Projekt und die anderen Funktionen des OBELIX Chips. Das Design wird mit technischen Details erläutert und es werden Simulationen zur Leistung unter Nenn- und Überlastbedingungen präsentiert. Der Autor hat alle neuen Funktionen der digitalen Peripherie im Zuge dieser Arbeit implementiert. Dazu gehört der Triggerspeicher mit Simulationen unter Verwendung realistischer Datenmuster. Darüber hinaus hat der Autor das Präzisions-Timing-Modul sowie das Modul für den Beitrag zum Belle II Level 1 Trigger konzipiert und implementiert. Die Leistung des TJ-Monopix2-Chips wurde vom Autor anhand von Labormessungen und Testbeams evaluiert. Die Zeitmessungen und deren Analyse wurden vom Autor durchgeführt. Die Testbeams zur Effizienzmessung wurden mit wesentlichen Beiträgen des Autors in einer Gruppe durchgeführt. Die daraus resultierenden Daten werden zur Verfeinerung der Simulationen und des Designs des OBELIX Chips verwendet
Beiträge zur Entwicklung und Messung von Belle II Sensoren
No full textDie vorliegende Masterarbeit wurde am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien durchgeführt. Der Verfasser widmete sich dabei dem Qualitätmanagement für die doppelseitigen, trapezoiden Streifen-Sensoren, die den Silicon Vertex Detector (SVD) bilden werden. Der SVD ist ein Teil des ab 2016 laufenden Belle II Experiments in Tsukuba, Japan. Zusammen mit dem Pixel Detector (PXD) bildet er den Vertex Detector (VXD), der das Ziel hat die Vertices der kollidierten Teilchen zurückzuverfolgen. Der Silicon Vertex Detektor besteht aus vier Lagen und im Ganzen aus 187 doppelseitigen Streifen-Sensoren. Abgesehen von 60 trapezoiden Sensoren, besteht der SVD noch aus 127 rechteckigen Sensoren. Betrieben werden die Belle II Detektoren am asymmetrischen Elektron/Positron- Beschleuniger SuperKEKB. Das Belle II Experiment ist der Nachfolger des Belle Experiments, dessen Ergebnisse 2008 in einem Nobelpreis für Kobayashi und Maskawa resultierten und in dessem Rahmen insgesamt über 300 Publikationen in Physikjournals erschienen sind. Um die ausreichende Qualität der verbauten trapezoiden Sensoren zu garantieren, einigten sich das HEPHY und der Hersteller Micron Semiconductors auf strikte mechanische und elektrische Spezifikationen für die zu liefernden Sensoren. Im Gegensatz zu den rechteckigen Sensoren (die noch vor der Lieferung von Hamamatsu Photonics K.K. getestet wurden), wurden die trapezoiden Sensoren zum Teil vom Autor am HEPHY in Wien und zum anderen Teil am Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Triest getestet. Bei den Tests in Wien und Triest wurden Sensorparameter gemessen, die für die Funktionalität der Sensoren zentral sind, und diese wurden darauf mit den vorab festgesetzten Spezifikationen verglichen. Je nachdem in welchem Ausmaß die Sensoren den Spezifikationen genügten, wurden sie dann vom Autor in drei verschiedene Qualitätsklassen eingeteilt. Die Sensoren, die am schlechtesten abschnitten (Note C), werden als elektrisch nicht funktionale, mechanische Prototypen verwendet. Die mittelgut bewerteten Sensoren (Note B) dienen als elektrisch funktionale Prototypen, die für Testbeams verwendet werden. Für das Belle II Projekt werden vorwiegend Sensoren der höchsten Güteklasse A verwendet. Um eine Entscheidungshilfe für die Einteilung in die Klassen zu bekommen, wurden die Messresultate vom Autor mit statistischen Methoden ausgewertet. Unter anderem wurde die Qualität der verschiedenen Batches verglichen. Nicht nur die insgesamt 32 am HEPHY getesteten Sensoren, sondern auch die Ergebnisse der 24 Sensoren aus Triest wurden vom Autor statistisch analysiert. Weiters wurde ein Augenmerk auf systematische Unterschiede zwischen den Messungen in Triest und Wien gelegt und die Qualität der Wiener Sensoren mit jenen aus Triest verglichen. Die Hauptaufgabe dieser Masterarbeit bestand darin, die trapezoiden Micron Sensoren durch elektrische Messungen für das Belle II Projekt zu qualifizieren und zu charakterisieren. Die Ergebnisse der Tests waren im Großen und Ganzen zufriedenstellend. Von den 56 vermessenen trapezoiden Micron Sensoren wurden 43 akzeptiert und 13 abgewiesen. In dem SVD Bewertungssystem wurden 31 mit der Note A bewertet, 19 Sensoren mit der Note B und 6 mit der Note C.The given master thesis was carried out at the Institute of High Energy Physics of the Austrian Academy of Sciences in Vienna. It treats the quality management of the double-sided, trapezoidal strip sensors that are used for the SVD (Silicon Vertex detector). The SVD will be one of the particle detectors used in the Belle II project in Tsukuba, Japan that starts in 2016. In total, the SVD consists of 4 detector layers that are made out of 187 double-sided strip sensors. Beside the 60 trapezoidal sensors that were produced by Micron Semiconductors, 127 double-sided rectangular sensors (produced by Hamamatsu Photonics K.K.) build the SVD. The SVD composes (together with the Pixel detector PXD) the Vertex detector (VXD) aiming to reconstruct the vertices of the collided particles. The particle accelerator that is associated to the Belle II project is the asymmetric electron-positron collider SuperKEKB. The Belle II experiment is the successor of the Belle experiment. Its outputs resulted in a won Nobel Prize for Kobayashi and Maskawa (2008) and over 300 publications in physics journals. To assure a sufficient quality of the sensors building the SVD, HEPHY and Micron Semiconductors arranged strict mechanical and electrical specifications for the delivered sensors. Those parameters were determined either for each strip (512 or 768 strips, depending on the side) or globally for the whole sensor. In contrary to the rectangular sensors (that were tested by Hamamatsu before the shipping), one part of the trapezoidal Micron sensors was measured at HEPHY Vienna- the other part was measured at the National Institute of Nuclear Physics (INFN) in Trieste. At the Quality Testing Center (QTC) in Vienna the author measured the significant parameters (on both sides) and then compared them to the specifications. After evaluating the measurement results, the author divided the sensors into three classes of quality. Sensors with the lowest grade C are used as mechanical dummies, sensors with the medium grade B are electrically functional and will be mostly used for prototypes and tests, whereas sensors with the best grade A have the highest quality and will be used in the Belle II project. After dividing the sensors into those three classes, the measurement results were statistically analyzed by the author. Histograms were plotted to see if the measured quantities depend on the batch number in order to find out if there was a possible link between the sensor quality and the date of construction. Not only the 32 sensors that were measured at HEPHY but also the 24 sensors from Trieste were statistically analyzed by the author and it was sought for systematic differences in the results, in order to identify potential systematic errors or biases of both measurements. Also the quality of the Viennese sensors were compared to those measured in Trieste. So, all in all, the task of this master thesis project was to qualify or disqualify the double-sided trapezoidal Micron sensors for the Belle II project. To summarize, the measurement results were satisfactory. From the 56 measured trapezoidal Micron sensors, 43 were accepted and 13 rejected. In the SVD grading system 31 sensors were rated with A, 19 sensors with B and 6 sensors with the grade C
Silizium Detektoren für das Verbesserungsprogramm von CMS
No full textDer Large Hadron Collider (LHC) ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt und lässt Protonen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV kollidieren. An einem seiner insgesamt vier Interaktionspunkte befindet sich das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment. Das CMS Experiment ist ein großer Mehrzweck-Teilchendetektor, gebaut für die Suche nach dem Higgs Boson, Supersymmetrie und Dunkler Materie. Die innerste Lage des CMS Experiments ist der sogenannte Spurdetektor (Tracker), welcher die Spuren von sekundären Teilchen, entstanden aus den Protonen-Kollisionen des LHC, misst. Der sensitive Teil des Trackers besteht aus ca. 24,000 Siliziumsensoren, welche zusammen eine Fläche von insgesamt etwa 200 m2 ausmachen. In der Mitte des nächstens Jahrzehntes wird der Betrieb des LHC für ca. 2.5 Jahre eingestellt. Diese Betriebspause, auch long shutdown three (LS3) genannt, dient zur Ver- besserung und Weiterentwicklung des Beschleunigers. In erster Linie ist die Luminosität des LHC betroffen, welche um einen Faktor von fünf bis sieben erhöht wird. Der LHC wird somit zum sogenannten High Luminosity LHC (HL-LHC). Mit dem Start von LS3 befindet sich das CMS Experiment am Ende seiner Lebenszeit, was hauptsächlich durch Strahlen- schäden bedingt ist. Aus diesem Grund und um eine effiziente Datennahme während der HL-LHC Kollisionen zu gewährleisten, wird auch das CMS Experiment in der Zeit von LS3 weiterentwickelt. Hierbei erfährt der Tracker die umfangreichste Weiterentwicklung, welche unter dem Begriff CMS Tracker Phase-2 Upgrade zusammengefasst wird. Das Programm beinhaltet einen kompletten Austausch des inneren und äußeren Spurdetektors. Mehr als 26,500 Siliziumstreifensensoren werden für den äußeren Tracker benötigt. Dies setzt eine großangelegte und industrialisierte Produktion voraus, welche derzeit nur ein Hersteller in der gewünschten Qualität gewährleisten kann. Um eine zuverlässige Versorgung von Sen- soren sicherstellen zu können, plant CMS die Produktion auf mindestens zwei Hersteller aufzuteilen. Seit 2009 entwickelt das Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) zusammen mit dem Eu- ropäischen Halbleiterhersteller Infineon Technologies Siliziumstreifensensoren für das Phase- 2 Upgrade des äußeren CMS Trackers. Ziel der Kollaboration ist die Etablierung Infineons als zukünftigen Hersteller von Siliziumstreifensensoren für Experimente in der Hochen- ergiephysik. Die Zusammenarbeit begann mit der Entwicklung von AC-gekoppelten p-in-n Siliziumstreifensensoren, produziert auf 6 Zoll Wafern. Neuere Untersuchungen deuten jedoch darauf hin, dass n-in-p Sensoren eine höhere Toleranz gegenüber Strahlenschäden aufweisen. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für einen effizienten Betrieb während der Periode nach LS3, wo beispielslos hohe Teilchenflüsse herrschen werden. Aus diesem Grund begann die HEPHY-Infineon Kollaboration die Entwicklung von n-in-p Sensoren, hergestellt auf 8 Zoll Wafern. Eine Produktion auf 8 Zoll Wafern ist Stand der Technik in der Halbleiterindustrie, wohingegen es eine Neuheit im Bereich der Entwicklung von Sensoren für Hochenergiephysik Experimente darstellt. Im Speziellen repräsentieren die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelten Sensoren die welt ersten AC-gekoppelten Siliziumstreifensensoren produziert auf 8 Zoll Wafern. Die hier vorgestellte Arbeit fasst die Entwicklung und Charakterisierung der Prototyp n-in-p i Siliziumstreifensensoren hergestellt auf 8 Zoll Wafern zusammen. Insgesamt wurden zwei Prototyp Läufe mit identem Layout produziert. Das Wafer Layout wird im ersten Teil dieser Arbeit beschrieben. Ein spezielles Augenmerk ist hierbei auf das Layout von Teststrukturen gelegt. Neben geläufigen Teststrukturen wurde auch ein neues Set von Teststrukturen vom Autor implementiert. Es ist angedacht, dass ein solches Set an Teststrukturen für die Evaluierung von Prozessparametern einer zukünftigen industriellen Produktion von Sensoren dient. Das Set enthält unter anderem auch neu entwickelte Feldeffekttransistor Teststrukturen, welche zur Charakterisierung der Isolationsfähigkeit der p-stop Implantation dienen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die vom Autor durchgeführte elektrische Charakterisierung des Hauptsensors der 8 Zoll Prototyp Wafer zusammengefasst. Sowohl globale als auch Einzelstreifenparameter wurden gemessen und mit den Anforderungen von CMS verglichen. Die während der Charakterisierung festgestellten Probleme wurden im Detail analysiert und an den Hersteller kommuniziert. Dies führte zu signifikanten Verbesserungen für Sensoren des zweiten Laufs. Neben Sensoren wurden auch die wichtigsten Teststrukturen wie Dioden, MOS und GCDs vom Autor charakterisiert. Zusätzlich wurde die Funktionsfähigkeit der auf dem Set von Teststrukturen befindlichen Strukturen untersucht und Unzulänglichkeiten Design festgestellt. Dieser Teil der Arbeit wird abgeschlossen mit der Evaluierung von Feldeffekttransistor Teststrukturen, wo neben elektrischen Messungen auch TCAD Simulationen vom Autor durchgeführt wurden. Die Strahlenhärte von Proben aus beiden Läufen wurde mit Hilfe von Proton- und Neutron- Bestrahlungsstudien untersucht und die Resultate mit den theoretischen Vorhersagen ver- glichen. Besonderes Augenmerk wird auf die durch Strahlenschäden veränderten Eigen- schaften des Grundmaterials gelegt. Im Speziellen wurden effektive Energien, die Stromerhöhung und auch die Erhöhung der Depletionsspannung vom Autor untersucht. Der letzte Teil dieser Doktorarbeit fasst die Untersuchungen betreffend des Verhaltens der Sensoren in einem Teilchenstrahl zusammen. Zu diesem Zwecke wurde ein Elektronenstrahl test beam am DESY durchgeführt. Neben einem unbestrahlten Sensor wurde auch ein neutronenbestrahlter Sensor vom Autor untersucht. Zusammenfassend wurden durch die Messungen des Autors und das Feedback an Infineon signifikante Probleme an den ersten Prototypen aufgezeigt. Zusätzlich zu den beschriebe- nen Untersuchungen wurde eine Reihe an zusätzlichen Studien durchgeführt, die wertvolle Informationen zur Steigerung der Qualität lieferten. Nahezu alle der festgestellten Prob- leme wurden im Rahmen der Entwicklungsarbeit, welche in dieser Dissertation detailliert beschrieben wird, gelöst. Die Qualifizierung Infineons als Hersteller für Siliziumstreifensensoren für das CMS Tracker Phase-2 upgrade ist somit weit fortgeschritten und nahe an der Vollendung.The Large Hadron Collider (LHC) is the world largest particle collider colliding protons at a center of mass energy of 13 TeV. At one of its four interaction points, the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment is located. CMS is a large multi-purpose particle detector built for the search of the Higgs boson, supersymmetry, and dark matter. The innermost detector system of CMS is the so-called Tracker, which measures the tracks of charged particles emerging from the proton collisions of the LHC. About 24,000 silicon sensors, which together constitute an area of 200 m2, represent the sensitive part of the Tracker. In the mid of the next decade, the LHC will undergo a 2.5 year long pause of operation, the socalled long shutdown three (LS3). During this phase, the LHC will be upgraded to the High Luminosity LHC (HL-LHC), which will lead to an increase in instantaneous luminosity by a factor of five to seven. At the same time, the CMS Tracker will have reached the end of its designated lifetime mainly due to radiation damage. Therefore, and to ensure an efficient operation during high luminosity data taking after LS3, the CMS Tracker will be upgraded in parallel to the LHC. This upgrade is referred to as the Tracker Phase-2 Upgrade, where the inner and outer Tracker will be replaced completely. For the upgrade of the CMS outer Tracker, more than 26,500 silicon sensors are required. This, in turn, requires an industrialized large-scale production, which currently only one company can offer in the desired quality. To ensure a reliable supply of sensors, it is foreseen to split the production between at least two vendors. Since 2009, the Institute of High Energy Physics (HEPHY) is collaborating with the European semiconductor manufacturer Infineon Technologies (Infineon) on the development of silicon strip sensors for the CMS outer Tracker upgrade. The aim of the collabora- tion is to establish Infineon as a future high-volume supplier of silicon strip sensors. The collaboration started with the development of AC-coupled p-in-n silicon strip sensors pro- cessed on 6-inch wafers. However, recent findings indicate that n-in-p sensors exhibit a better radiation tolerance. This is especially important for an efficient operation during the high luminosity data taking period, where unprecedented high particle fluences will be present. Therefore, the HEPHY-Infineon collaboration started a development of n-in-p silicon strip sensors processed on 8-inch wafers. Processing of 8-inch wafers is state-of- the-art in semiconductor industries but a novelty in the development of sensors used in High Energy Physics experiments. In particular, the sensors developed in the course of this thesis represent the worlds first AC-coupled silicon strip sensors processed on 8-inch wafers. This thesis summarizes the development and characterization of the prototype n-in-p silicon strip sensors processed on 8-inch wafers. Two prototype runs with identical wafer layout have been manufactured in total. The wafer layout is described in the first part of this thesis, with a focus placed on the layout of test structures. Besides standard test structures, a set of test structures, envisaged to be used for the evaluation of process parameters during a future large-scale production, has been implemented by the author. The set also comprises iii newly developed field-effect transistor test structures used for the characterization of the isolation capability of the p-stop. The second part of this thesis summarizes the electrical characterization of the main sensor of the two prototype 8-inch wafer runs, which was completely carried out by the author. Global and single strip parameters have been measured and compared to current require- ments of CMS. Processing issues observed during the characterization of the first prototype run were analyzed in detail and communicated to the manufacturer. This led to significant improvements for the second prototype run. The electrical characterization of the sensors is followed by the characterization of the most important test structures like diodes, MOS, and GCDs, which was also performed for this thesis. In addition, the functionality of structures located on the set of test structures has been investigated and design insufficiencies determined. This part of the thesis is concluded by the evaluation of the field-effect transistor test structures, where, besides electrical characterization, TCAD simulations have been conducted by the au- thor. The radiation hardness of samples of both runs has been investigated by proton and neutron irradiation studies, where the results are compared to theoretical predictions. A focus is placed on the properties of the bulk material that have been altered by the radiation. In particular, effective energies, the current related damage rate, and the change of the full depletion voltage have been investigated by the author. The last part of this thesis summarizes investigations concerning the performance of the sensors in a particle beam. For this purpose, an electron beam test at DESY has been carried out. In addition to an unirradiated sensor, the performance of a neutron irradiated sensor has been studied by the author. In summary, measurements by the Author and feedback to Infineon revealed significant problems of the first prototypes. In addition to the investigations described above, a va- riety of additional studies have been carried out, which provided valuable inputs for the improvement in quality. Within the development work that is described in detail in this PhD thesis, almost all of the identified problems were solved. Thus, the qualification of Infineon as manufacturer of silicon strip sensors for the CMS Tracker Phase-2 upgrade is well advanced and close to completion
Search for Lepton Flavour Violating Decays of the Higgs Boson To Eτ and Eμ in Proton–proton Collisions at S=8 Tev
No full textA direct search for lepton flavour violating decays of the Higgs boson (H) in the H→eτ and H→eμ channels is described. The data sample used in the search was collected in proton–proton collisions at s=8 TeV with the CMS detector at the LHC and corresponds to an integrated luminosity of 19.7 fb−1. No evidence is found for lepton flavour violating decays in either final state. Upper limits on the branching fractions, B(H→eτ)0.69% and B(H→eμ)0.035%, are set at the 95% confidence level. The constraint set on B(H→eτ) is an order of magnitude more stringent than the existing indirect limits. The limits are used to constrain the corresponding flavour violating Yukawa couplings, absent in the standard model. © 2016 The Author(s
Author Correction: a Portrait of the Higgs Boson by the Cms Experiment Ten Years After the Discovery (nature, (2022), 607, 7917, (60-68), 10.1038/S41586-022-04892-x)
No full textCorrection to: Nature Published online 4 July 2022 In the version of this article initially published, CMS Collaboration author names, affiliations and acknowledgements were omitted and have now been included in the HTML and PDF versions of the article. © 2023, The Author(s)
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