Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rätsel Antimaterie: Spurensuche mit hochintegriertem Teilchensensor

09.11.2015

In München wurde kürzlich ein hochempfindlicher Sensor zur präzisen Vermessung von Teilchenspuren vorgestellt. Es handelt sich um das erste Modul für den Vertex-Detektor des Belle II-Experiments am japanischen Beschleunigerzentrum KEK. Der Detektor soll ab 2017 zum Einsatz kommen und Kollisionen von Elektronen und deren Antiteilchen, den Positronen, aufzeichnen. Mit diesen Experimenten gehen Wissenschaftler der Frage nach, warum es im heutigen Universum kein nennenswertes Vorkommen von Antimaterie gibt.

Der Sensor ist eine Entwicklung des Halbleiterlabors der Max Planck-Gesellschaft (MPG). Der Belle II-Vertex-Detektor entsteht in einer internationalen Kooperation unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Physik.




Jetzt fertiggestellt: Das erste, voll funktionsfähige Sensormodul des Vertex-Detektors im Belle II-Experiment

L. Andricek/HLL@MPG

Im Experiment bringen Wissenschaftler Elektronen und Positronen zur Kollision und werten die Zerfallspuren der produzierten schweren Mesonen und deren Antiteilchen aus. "Wir suchen dabei nach winzigen Unterschieden. Dafür ist die präzise Vermessung des Zerfallsortes – auch als Vertex bezeichnet – entscheidend", erklärt Prof. Christian Kiesling, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik. "Zuständig für die Messungen ist der jetzt fertiggestellte, wegen seiner Eigenschaften weltweit konkurrenzlose Sensor."

Hergestellt aus 1000-fach reinerem Silizium als herkömmliche Transistoren oder Speicherchips, integriert das Modul auf einer Fläche von acht Quadratzentimetern 200.000 DEPFET-Pixelzellen. DEPFET steht für für Depleted p-channel Field Effect Transistor. Er wurde am Halbleiterlabor (HLL) der MPG erfunden und wird ausschließlich dort gefertigt.

Das DEPFET-Bauteil erlaubt den Nachweis von Photonen oder, so wie hier, von hochenergetischen Teilchen mit höchster Effizienz und Präzision. "Der grundlegende Prozess ist dem, der in herkömmlichen Foto- oder Videokameras abläuft, sehr ähnlich", erklärt Dr. Jelena Ninkovic, Leiterin des HLL. "Jedoch ist das primäre Signal beim Nachweis von einzelnen Photonen oder Teilchen sehr viel kleiner."

Selbstverstärkender Sensor

Hier kommt der große Vorteil des DEPFET zum Tragen: Das sehr kleine primäre Signal wird in dem Sensor selbst verstärkt. Der DEPFET ist somit das Sensormaterial und die erste Verstärkerstufe in Einem. Durch die Anordnung vieler DEPFETs zu einer Matrix entsteht ein Bildsensor, mit dem man den Entstehungsort eines Teilchens genau bestimmen kann. "In unserem Fall geschieht das mit einer Genauigkeit von etwa einem Hundertstel eines Millimeters", so Ninkovic weiter.

Die Ansteuerung der Pixel in einer Matrix und die schnelle Verarbeitung des DEPFET-Signals erfordert zusätzliche Elektronik, die in Kollaboration mit deutschen Universitäten entstanden ist. Diese Elektronik wird in Form von anwenderspezifischen Schaltkreisen (ASICs) direkt auf das Sensorsubstrat aufgebracht. Mit den ASICs lassen sich die Signale der Pixelmatrix digitalisieren und die Datenmenge verlustfrei reduzieren, um sie in höchster Geschwindigkeit (50.000 Bilder pro Sekunde) zu übertragen.

Komplexe Elektronik auf haarfeiner Siliziumfolie

Die DEPFET Matrix wird dadurch zu einem sehr komplexen Modul mit maximaler Integrationsdichte, das trotz aller Komplexität extrem dünn und leicht ist, um die Messung der Teilchenspuren nicht durch das Sensormaterial selbst zu verfälschen.

Das HLL hat dafür eine einzigartige Technologie entwickelt. Sie erlaubt es, extrem dünne und hoch integrierte Sensormodule herzustellen. Der sensitive Teil des Moduls, die DEPFET Matrix, wird dabei durch angepasste Ätzverfahren auf 75 Mikrometer verdünnt, was der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.

Diese an sich biegsame „Folie“ aus Silizium wird durch einen monolithisch integrierten Rahmen unterstützt, auf dem die Auslese- und Steuerelektronik aufgebracht ist. Die Spannungsversorgung und die Datenleitungen laufen über ein flexibles Flachbandkabel, das am Ende des Moduls angebracht ist.

Die HLL-Technologie erlaubt es, die dünnen DEPFET Matrizen zylinderförmig ohne jede weitere Unterstützung um den Wechselwirkungspunkt des Experiments anzuordnen. Die hochpräzise Messung von Teilchenspuren wird damit zur Realität.

Mehr Information:
Das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft: http://www.hll.mpg.de/index.html
Das Belle II-Experiment am Max Planck-Institut für Physik: https://www.mpp.mpg.de/forschung/experimental/belle/index.html
Webseite des SuperKEKB-Experiments: http://www.kek.jp/en/

Kontakt:

Dr. Jelena Ninkovic
Leiterin des Halbleiterlabors der Max-Planck-Gesellschaft
Tel.: +49 89 839400-49
nin@hll.mpg.de

Prof. Dr. Christian Kiesling
Sprecher der DEPFET-Kollaboration
Max-Planck-Institut für Physik
Tel.: +49 89 32354-258
cmk@mpp.mpg.de

Weitere Informationen:

https://www.mpp.mpg.de/pr/medienarchiv/03_print/pressemeldungen/pressemeldungen2...

Barbara Wankerl | Max-Planck-Institut für Physik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn
11.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Stabile Quantenbits
08.12.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Im Focus: Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten

Mit neuartigen Experimenten enträtseln Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Technischen Universität Hamburg, warum winzige Metallstrukturen extrem fest sind

Ultraleichte und zugleich extrem feste Werkstoffe – poröse Nanomaterialien aus Metall versprechen hochinteressante Anwendungen unter anderem für künftige...

Im Focus: Geburtshelfer und Wegweiser für Photonen

Gezielt Photonen erzeugen und ihren Weg kontrollieren: Das sollte mit einem neuen Design gelingen, das Würzburger Physiker für optische Antennen erarbeitet haben.

Atome und Moleküle können dazu gebracht werden, Lichtteilchen (Photonen) auszusenden. Dieser Vorgang verläuft aber ohne äußeren Eingriff ineffizient und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Goldmedaille für die praktischen Ergebnisse der Forschungsarbeit bei Nutricard

11.12.2017 | Unternehmensmeldung

Nachwuchs knackt Nüsse - Azubis der Friedhelm Loh Group für Projekte prämiert

11.12.2017 | Unternehmensmeldung

Mit 3D-Zellkulturen gegen Krebsresistenzen

11.12.2017 | Medizin Gesundheit