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Description
L’esperimento Belle II intende sfruttare l’upgrade del collisionatore SuperKEKB, previsto nel 2032 e necessario per raggiungere la luminosità target di $6 \times 10^{35}$ cm$^{−2}$ s$^{−1}$, per installare un nuovo rivelatore di vertice (VTX). La necessità di un nuovo rivelatore nasce dalla modifica della geometria della regione di interazione e da estrapolazioni dei livelli di fondo previsti ad alta luminosità, ai limiti di quanto accettabile con il rivelatore presente.
Per rispondere a questa necessità, VTX sarà composto da cinque strati di rivelatori a pixel monolitici attivi (DMAPS) in tecnologia CMOS, posti a distanze dal punto di interazione comprese tra 14 e 135 mm. Tutti i layer saranno equipaggiati con lo stesso chip OBELIX, realizzato nella tecnologia TowerJazz 180 nm e operato a temperatura ambiente. La matrice di questo sensore, nelle fasi finali della sua prima sottomissione, è derivata dal sensore TJ-Monopix2, inizialmente sviluppato per l’ITk dell’esperimento ATLAS, con pixel quadrati di 33 µm di lato e uno solo dei quattro front-end del suo predecessore.
OBELIX è stato progettato per sostenere un hit rate massimo di 120 MHz cm$^{−2}$, una dose integrata di 100 Mrad e una fluenza di $5\times 10^{14}$ neq/cm$^2$, e per consentire una latenza di trigger di 10 µs alla massima frequenza di acquisizione prevista alla luminosità di target. Poiché la potenza dissipata dal chip dipende dall’hit rate, negli strati più esterni è possibile attivare delle funzionalità che, ad esempio, permettono di inserire VTX all’interno del trigger di Belle II, rimanendo all’interno di valori di potenza accettabili.
I due strati più interni di VTX (iVTX) verranno realizzati in silicio, con un minimo contenuto di materiale (0.3 %), e raffreddati tramite un materiale ad alta conducibilità termica (TPG). Sulla parte sensibile del rivelatore, costituita da quattro chip allineati, mediante una fase di post-processing vengono realizzati con un processo litografico vari strati metallici (RDL) per il power e la trasmissione dei dati. Successivamente il wafer viene assottigliato fino ad uno spessore di 50 µm.
I tre strati esterni del detector (oVTX), invece, hanno spessori maggiori, con un material budget di 0.6 % $X_0$ ed una lunghezza massima di circa 70 cm. Per la struttura meccanica verranno usati supporti in fibra di carbonio simili a quelli dell’ITS2 dell’esperimento ALICE, raffreddati tramite una cold plate in contatto con un tubo all’interno del quale circola il liquido di raffreddamento. L’alimentazione e il controllo dei sensori sono assicurati tramite un apposito circuito flessibile realizzato in alluminio.
Nella presentazione verranno discussi i principali elementi del progetto, inclusi gli studi di performance che determinano le scelte progettuali, i test in laboratorio e su fascio effettuati su TJ-Monopix2, il design di OBELIX, e lo stato della realizzazione e caratterizzazione dei prototipi dei moduli di VTX.