I primi wafer del CMS Read Out Chip (CROC) per il nuovo rilevatore a Pixel sono stati prodotti e testati: un passo importante verso la costruzione del nuovo Tracciatore di CMS.
Ogni wafer di silicio contiene 136 chip costruiti per resistere alle condizioni più difficili mai incontrate agli acceleratori di particelle. Venti wafer di CROCv2 (la versione finale di CROC) sono stati prodotti in Taiwan da TSMC, la più grande azienda produttrice di semiconduttori al mondo. Verranno prodotti più di 300 wafer per costruire il nuovo rilevatore a Pixel di CMS, chiamato Inner Tracker (Tracciatore Interno).
L’Inner Tracker, insieme all’Outer Tracker (Tracciatore Esterno), ricostruirà i percorsi delle particelle cariche, in modo da tracciare le particelle che escono fuori dal punto di collisione. Con i suoi sensori al silicio a pochi centimetri dal punto di collisione (lo strato più vicino a circa 3 cm), l’Inner Tracker svolge un ruolo cruciale nel determinare esattamente il punto (vertice) dove sono state prodotte le particelle.
La preparazione di CMS per la fase ad alta luminosità di LHC (High-Luminosity LHC, HL-LHC) è a buon punto: molti componenti del rivelatore verranno aggiornati, altri completamente sostituiti, come il Tracciatore. Questo cambiamento offre l’opportunità di innovare la tecnologia del rilevatore: l’Inner Tracker è una parte importante di questa evoluzione.
L’aumento della luminosità si traduce in un ambiente molto più ostile per il rilevatore, specialmente per l’Inner Tracker, che è il più vicino alle collisioni: il CROC deve resistere a una quantità di radiazione equivalente a circa 100 miliardi di radiografie al torace (1 Grad o 10MGy)!
La fase ad alta luminosità di LHC vedrà fino a 140-200 collisioni ogni volta che due pacchetti di protoni si incrociano, molte più collisioni rispetto a quelle attualmente osservate da CMS (in media 50). I nuovi chip devono avere una performance simile, nonostante l’aumento del numero di particelle.
Le nuove celle pixel sono molto piccole, delle dimensioni di un capello umano (50 x 50 micron), con tutta l’elettronica racchiusa in questo spazio. Ciò permette di registrare ed elaborare il passaggio di 3 miliardi di particelle al secondo per ogni centimetro quadrato del rilevatore! In combinazione con una larghezza di banda dati molto elevata (fino a 5 gigabit al secondo) e un tempo di memoria più lungo, l’Inner Tracker sarà in grado di ricostruire un migliaio di tracce di particelle ogni volta che due pacchetti di protoni si incrociano. I chip sono inoltre progettati per avere un consumo energetico molto basso, il che è incredibilmente importante poiché il rilevatore a Pixel dovrà essere mantenuto a -30°C!
Per affrontare queste sfide, il CROC è stato attentamente progettato dalla Collaborazione RD53, creata nel 2013, con 22 istituti tra CMS e ATLAS. I prototipi, o chip “dimostratori”, sono stati testati approfonditamente tramite irraggiamenti e test su fasci di particelle, da entrambe le collaborazioni CMS e ATLAS. La versione finale del disegno del chip (CROCv2) è stata approvata e messa in produzione a ottobre 2023, dopo 10 anni di sviluppo e dopo aver superato una moltitudine di test e verifiche: i chip sono finalmente pronti per l’installazione dentro CMS per la fase ad alta luminosità di LHC!
I primi wafer CROCv2s sono stati testati presso l’INFN/Università di Torino (Italia) e presso la Kansas State University (Stati Uniti). Ciascuno dei 136 chip del wafer viene testato individualmente, in circa 9 minuti, mentre un wafer completo viene testato in una giornata. La resa (la percentuale di chip buoni) è abbastanza elevata: circa l’80% dei chip è di buona qualità, su 1900 CROCv2 testati. I test garantiscono che soltanto i chip migliori verranno utilizzati per costruire l’Inner Tracker di CMS.
Una volta completati i test, i wafer verranno inviati al passo successivo della lavorazione: i chip quadrati verranno ritagliati dai wafer, prima di essere uniti ai sensori di silicio. Successivamente, i moduli pixel verranno assemblati negli istituti di CMS: per l’Inner Tracker devono essere prodotti oltre 4000 moduli.
Lo sviluppo di CROC è stato un viaggio emozionante, ma c’è ancora molta strada da fare per completare l’Inner Tracker: le prime collisioni sono previste nel 2029!
