ISSCC 2014 Ohne Halbleiter kein Higgs-Teilchen

Der Pixeldetektor aus dem ATLAS-Detektor

Die CMOS-Technik wird extensiv in der Teilchenphysik genutzt. Und schaut man sich die Zahlen an, die Erik Heijne, Instrumentation Physicist am CERN PH Department, zum Teilchenbeschleuniger am CERN vorlegt, ist klar, warum Halbleiter notwendig sind, um die Existenz des sogenannten Higgs-Teilchens experimentell nachzuweisen.

In dem Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) am CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) werden Protonenstrahlen in einem 27 km langen Kreistunnel auf 7 TeV/c2, um sie dann kollidieren zu lassen. Laut Heijne beinhaltet jeder Strahl 2208 Protonenpakete, die durch den Ring kreisen. Diese Strahlen werden von 1232 supraleitenden Dipolmagneten (8,3 Tesla) in ihrer Bahn gehalten und in HF-Beschleunigungskavitäten beschleunigt. Sobald die Protonen 7 TeV erreicht haben, ist laut Heijne ein stabiler Zustand erreicht. Danach werden die Strahlen auf einen Durchmesser von rund 10 µm fokussiert und die Kollisionen können beginnen.

Bei jeder Kollision entstehend Schauer von Teilchen und manchmal ist in einem Schauer eben auch ein neues Elementarteilchen, wie zum Beispiel das Higgs-Boson, enthalten, aber leider nur manchmal. Um dennoch möglichst viele dieser Teilchen zu finden, wird mit einer Kollisionsrate von 40 MHz gearbeitet.

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Halbleiter-Technik im CERN

Halbleiter-Technik im CERN

Die verschiedenen Detektoren messen die charakteristischen Größen der in der Kollision erzeugten Teilchen. Ein Detektor mit seinen sechs Detektorsubsystemen fungiert wie eine riesige Kamera, die die Prozesse innerhalb der Detektoren mit einer Geschwindigkeit von 40 Mio. Bildern pro Sekunde aufzeichnet. »Alle 25 ns werden rund 500 Mio. Sensorelemente genutzt, um die Flugbahnen und andere Parameter von ein paar tausend Teilchen aufzuzeichnen«, so Heijne weiter. Um der Wahnsinnsdatenmenge Herr zu werden, übernimmt die Elektronik zunächst einmal eine Vorauswahl und reduziert das Datenvolumen um einen Faktor von rund 500. Danach müssen aber immer noch 3 GBit pro Sekunde vom Detektor übertragen werden. Im letzten Schritt wird die Datenmenge nochmals reduziert und nur viel versprechende Frames ausgewählt, die dann dauerhaft mit einer Geschwindigkeit von 1 GBit/s abgespeichert werden. Und um diese Datenmengen abspeichern zu können, hat das CERN auch gleich noch das WLCG entwickelt, was für Worldwide LHC Computing Grid steht und eine Cloud, über das das CERN, diverse Universitäten und Physiker weltweit Zugriff auf die Daten erhalten.

Heijne: »Seit ungefähr 1990 haben verschiedene Teams von Physikern kundenspezifische CMOS-ICs langsam in ihre Experimente rund um die Teilchenphysik einfließen lassen. Ein besonderer Aspekt bei dieser Applikation ist, dass tausende von Chips mit einheitlicher Charakteristika parallel arbeiten müssen.« Seit damals seien deutliche Verbesserungen beim Signal/Rauschabstand, in der Kompaktheit, bei der Verlustleistung und sogar bei den Kosten erreicht worden. Heijne weiter: »Die Detektoren an den vier Kreuzungspunkten im LHC sind innen alle mit großen Siliziumsensor-Arrays ausgestattet. Diese Sensor-Ararys messen die Flugbahnen der Teilchen mit einer Genauigkeit von bis zu 10 µm. Dazu kommen noch die dazugehörigen Auslese-Chips in CMOS, so dass der gesamte Detektor mittlerweile hauptsächlich aus verschiedenen Schichten von Siliziumkomponenten besteht, wogegen in früheren Generationen der Teilchenphysik Geräte mit Gas oder Flüssigkeit genutzt wurden.«

Mit Blick in die Zukunft wünscht sich Heijne, dass die Detektoren noch intelligenter werden. Denn dann könnten sie Besonderheiten in Kollisionen, wie beispielsweise Teilchen mit ungewöhnlich hoher Energie, schneller erkennen. Heijne abschließend: »Damit solche intelligenten Chips Daten bei der gegebenen Framerate von 40 MHz und mit mehr als 1,2 Mrd. Kanälen Wirklichkeit werden, und das noch mit einer vernünftige Leistungsaufnahme, sind sehr gute Architekturen und eine ausgeklügeltes Design notwendig.«