Un tracciatore a pixel 3D a trincea con 10 ps di risoluzione temporale per l'upgrade di Fase 2 di LHCb.

I futuri esperimenti ai collider necessiteranno di nuovi rivelatori ad altissima risoluzione temporale per poter ricostruire gli eventi acquisiti in condizioni di alta luminosità istantanea. In particolare, quando LHCb opererà a $1.5 \cdot 10^{34}/{cm}/{s}$, 2000 tracce provenienti da 40 collisioni avvenute in ogni bunch crossing dovranno essere ricostruite nel rivelatore di vertice (VELO). Per garantire l'efficienza di questa ricostruzione sarà necessario che gli hit nel VELO siano misurati temporalmente con una accurateza di circa $50 {ps}$. Per ottenere questo, una delle tecnologie più promettenti attualmente in fase di studio è quella dei sensori a pixel 3D "a trincea", sviluppati dalla collaborazione INFN chiamata TimeSPOT. Questi pixel di $55 \mu m$\times 55 $\mu m$ di area sono costruiti su un silicio di spessore $150 \mu m$ e consistono in una giunzione planare lunga $40 \mu m$ posizionata tra due giunzioni continue. Questa geometria garantisce delle distanze di deriva dei portatori di carica di circa $20 \mu m$ e tempi totali di raccolta della carica inferiori ai $300 {ps}$. Due lotti di sensori 3D "a trincea" sono stati prodotti da FBK nel 2019 e nel 2021. I più recenti test su fascio sono stati svolti nel 2021 e 2022 a SPS/H8 durante i quali strutture di test, consistenti in singoli pixel o decine di pixel disposti in linea, sono stati letti con un'elettronica a basso rumore basata su un doppio stadio di amplificatore a transimpedenza, e i segnali sono stati acquisiti con un oscilloscopio digitale ad alte prestazioni. Il tempo di arrivo delle particelle è stato misurato con un'accuratezza di circa $7 {ps}$ utilizzando due MCP-PMT posizionati sul fascio. Le forme d'onda dei segnali dei sensori 3D sono analizzate con algoritmi software per misurare le ampiezze, i tempi di arrivo e le efficienze dei rivelatori. I risultati preliminari indicano delle efficienze di rivelazione vicine al $100%$ con inclinazioni dei sensori di almeno 10 gradi, e risoluzioni temporali di $10 {ps}$. I test attualmente in corso a SPS/H8 stanno indicando analoghe prestazioni anche per sensori irraggiati fino a $2.5\cdot10^16$ 1-MeV neutron equivalent. Altri risultati saranno presentati. I rivelatori a pixel 3D "a trincea" sono una promettente tecnologia per i futuri rivelatori di vertice negli esperimenti operanti ad altissime luminosità istantanee.