Pixel-Chips bei der Suche nach Higgs

Der Countdown läuft. In einem Jahr soll der neue Ringbeschleuniger des CERN seinen Betrieb aufnehmen. Dann kommt auch ein neuartiger Detektor mit 48 Millionen winziger Halbleiterelemente, so genannten Pixel, zu seinem ersten Einsatz. Die Idee, solche Mikroelemente in einer Matrix auf einem Siliziumchip anzuordnen und als Teilchendetektoren zu verwenden wurde am Paul Scherrer Institut (PSI) entwickelt und umgesetzt. Dort lief vor kurzem die Produktion von 800 Detektormodulen an. Bei der Suche nach dem mysteriösen Higgs-Teilchen werden sie eine zentrale Rolle spielen.

Vor 12 Jahren begannen Physiker am PSI ein neues Detektorkonzept zu entwickeln. Jetzt wollen sie damit weltweit erstmalig mit einer Sensormatrix auf Siliziumchips Spuren von Teilchen verfolgen. „Damals galt das selbst unter Experten bestenfalls als futuristisch“ erinnert sich Roland Horisberger, Koordinator des Pixel Projekts. Dann baute das PSI ein Pixel-Kompetenzzentrum auf, zu dem auch Fachleute der Universitäten Basel und Zürich, sowie der ETH Zürich gehören. Heute bilden diese Pixel-Chips das Herz einer 22 Meter langen zylindrischen Apparatur, die endlich das meistgesuchte aller Teilchen finden soll: das Higgsboson, Seine Entdeckung würde eine Kernfrage beantworten: Wie kommen die Elementarteilchen zu ihrer Masse?

Am europäischen Kernforschungszentrums (CERN) wird dazu ein neuer Ringbeschleuniger, der Large Hadron Collider (LHC), Protonen millionenfach auf Kollisionskurs bringen. Bei jedem Frontalzusammenstoss entstehen etwa tausend Teilchen, die wie Trümmer einer Explosion auseinander spritzen. Sie zu verfolgen ist die grosse Herausforderung, denn unter ihnen könnten sich Spuren des seltenen Higgs verbergen. In zylindrischen Schalen mit Durchmessern bis zu 15 Metern umgeben verschiedene Detektoren den Bereich, in dem die Protonen zusammenstossen. Teilchen, die dort entstehen, treffen schon in einer Entfernung von vier Zentimetern auf die erste Schale von Siliziumsensoren. Ihr feinmaschiges Netz aus mehr als neun Millionen Pixel, jedes mit einem Durchmesser von etwa einem Zehntelmillimeter, misst die ersten Punkte der Spuren.

Intelligente Pixel
Pixel registrieren nicht nur Ort und Zeit eines Teilchendurchgangs, sie codieren diese Information auch für die Datenübermittlung. Dazu liegen direkt über den 4160 Pixel eines Sensorchips ebenso viele Mikrocomputer. Sie bilden mit über einer Million Transistoren den so genannten Auslesechip, mit dessen Entwurf sich das PSI an der Weltspitze im Chipdesign etabliert hat.. Den Kontakt zwischen Pixel und Mikrocomputer stellt ein 18 Tausendstelmillimeter grosses Lotkügelchen aus Indium, einem leicht schmelzenden Metall, her. Bump bonding heisst dieses Verfahren, das von der Industrie übernommen und am PSI weiterentwickelt wurde.

Durch seine Nähe zur Kollisionsregion ist der Pixel-Detektor einem enormen Teilchenstrom ausgesetzt. Fast zweieinhalb Billionen Teilchen rauschen pro Minute durch seine Module und erzeugen dabei eine Datenmenge, die eine Festplatte von 120 Gigabyte füllen würde. Der intensive Dauerbeschuss stellt aber auch eine gewaltige Strahlenbelastung dar. Tests am PSI-Protonen-Beschleuniger bewiesen, dass sie die Funktionsfähigkeit nicht beeinträchtigt. Insgesamt 800 Module werden produziert. Auf jedem von ihnen befinden sich je 16 Sensor- und Auslesechips, die zum bump bonding auf 1-2 Tausendstelmillimeter genau positioniert werden müssen. Die Komponenten der Fertigungsstrasse, die diese Präzision beim Bau von vier bis sechs Modulen pro Tag garantieren soll, wurden am PSI entwickelt.
Höchste Genauigkeit wird auch bei der Montage der Module in dem 12 Tausend Tonnen Detektorzylinder am CERN verlangt. „Wir kombinieren hier die Präzision aus der Feinstmechanik der Uhrenindustrie mit Teilen von Größe und Gewicht wie sie im Schiffsbau vorkommen“ erklärt Roland Horisberger.
Ein Jahr hat das Team noch Zeit für die Produktion der Chips und den Bau der Detektoraufhängung. Ab Herbst 2007 sollen dann die Pixel am LHC bei der Suche nach dem Higgs auf der Lauer liegen.