Hanno Perrey, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2011 :

"Jets bei niedrigen Q² bei HERA und Untersuchungen zu Strahlenschäden in Siliziumsensoren für den XFEL"


"Jets at Low Q² at HERA and Radiation Damage Studies for Silicon Sensors for the XFEL"


Schlagwörter: jets, hera, low q2, zeus, silicon sensors, surface damage, xfel
PACS : 13.87.-a, 61.80.Ed
Volltext
Summary

Kurzfassung

Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Messung von Jet-, Zweijet- und Dreijet-Wirkungs/-querschnitten in tiefunelastischer Elektron-Proton-Streuung mit einer Virtualität des einlaufenden Photons im Bereich von 10<Q² < 100 GeV² und einer Inelastizität im Bereich von 0.2 < y < 0.6 präsentiert. Die verwendeten Daten wurden 2004 – 2007 mit dem ZEUS-Detektor bei HERA aufgenommen und entsprechen einer Luminosität von 296 pb-1. Für die Messung wurden Jets mit Hilfe des inklusiven kT-Algorithmus im Breit-System rekonstruiert. Verlangt wurde für die Jets eine transversale Energie im Breit-System von mindestens 8 GeV und eine Pseudorapidität im Laborsystem im Bereich von -1 <ηlab < 2.5. Zu den Dijet- und Trijet-Wirkungsquerschnitten wurden weiter nur solche Ereignisse gezählt, deren zwei härtesten Jets eine invariante Masse von mehr als 20 GeV aufwiesen.
Insgesamt stimmen die Vorhersagen aus QCD-Rechnungen nächstführender Ordnung (NLO) innerhalb der Unsicherheiten mit den gemessenen Wirkungsquerschnitten über weite Bereiche des Phasenraums überein. Nur bei Pseudorapiditäten im Bereich nahe der Protonstrahlrichtung fallen die Vorhersagen für inklusive Jets deutlich zu niedrig aus. Generell sind die Unsicherheiten auf die NLO-Vorhersage dominiert von der Unsicherheit auf die Renormalisierungsskala und signifikant größer als die experimentellen Unsicherheiten, die durch die Unsicherheit der Jet-Energieskala bestimmt werden. Die große Unsicherheit der Theorievorhersage ist ein Indiz für die Notwendigkeit, höhere Ordnungen in den QCD-Berechnungen zu berücksichtigen.
Insbesondere mit diesen in Zukunft zu erwartenden QCD-Rechnungen höherer Ordnung sollen diese Daten benutzt werden, um die Parton-Dichteverteilungen des Protons und as genauer zu bestimmen.

Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Untersuchung von Strahlenschäden durch Röntgenstrahlung an der Si-SiO2 Oberfläche von Silizium-Sensoren präsentiert. Wenn der Röntgenlaser XFEL am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) ab 2015 in Betrieb geht, werden die geplanten Silizium-Pixeldetektoren einem Fluss von 1016 Photonen/cm² von 12 keV ausgesetzt, was einer Oberflächendosis von etwa 1 GGy entspricht. Zur Untersuchung der auftretenden Effekte wurde eine Anzahl von Teststrukturen (gate-controlled diodes) am F3/F4-Strahl des Doris-Speicherrings mit 10 keV Photonen im Dosisbereich von 1 kGy bis 1 GGy bestrahlt. Mit Hilfe von Messungen der Kapazität (C/V) und des Stroms (I/V) als Funktion der angelegten Spannung, sowie TDRC-Messungen (Thermally Depolarization Relaxation Current) wurden unter anderem die Änderungen der Flachbandspannung und des Oberflächenstroms als Funktion der Photondosis bestimmt. Beide Größen zeigen einen starken Anstieg und anschließenden Abfall als Funktion der Dosis. Weiter wurde ein ausgeprägter Hysterese-Effekt in den C/V-Kurven bestrahlter Strukturen beobachtet. Dieser wird als Hinweis auf das Vorhandensein von border traps gedeutet.
Mit Hilfe von Modelrechnungen können die C/V-Messungen qualitativ beschrieben werden. Dies erlaubt in Kombination mit TDRC-Messungen die getrennte Extrahierung der verschiedenen Oberflächenladungstypen. Die in dieser Studie bestimmten Parameter sollen in Simulationen einfließen, mit dem Ziel, die Messungen zu beschreiben und später strahlenharte Sensoren für das AGIPD-Projekt zu entwickeln.

Titel

Kurzfassung

Summary

In the first part this thesis, jet cross-sections were measured for inclusive jet, inclusive dijet, and inclusive trijet production at photon virtualities in the range of 10<Q² < 100 GeV².
The data analyzed were recorded with the ZEUS detector in the years 2004-2007 corresponding to an integrated luminosity of 296 pb-1. Events in neutral current deep inelastic scattering were selected in the above stated Q² region for an inelasticity of 0.2 < y < 0.6. The jets were reconstructed in the Breit frame, where the virtual boson and the proton collide head on. The jets were required to carry a transverse momentum in the Breit frame of ptb>8 GeV and to have a pseudorapidity in the laboratory frame in the range of -1 <ηlab < 2.5. For the dijet and trijet samples, an additional requirement was imposed on the invariant dijet mass of Mjj>20 GeV to avoid phase space regions where the fixed order calculations are sensitive to infrared divergences. The presented analysis is the first jet analysis at such low values of Q² to exploit the full HERA-II ZEUS data set, and as such is performed at significant higher luminosities than previous publications.
Overall, the next-to-leading order (NLO) calculations correctly predict the measured cross-sections within the uncertainties in all studied quantities and over most of the investigated regions of phase space, except in the pseudorapidity region close to the proton beam direction ("forward" region) in inclusive jet production where the prediction is considerably below the data. The uncertainty of the NLO prediction, dominated by the uncertainty associated with the choice of the renormalization scale, is typically larger than the experimental uncertainty, which is for the most part dominated by the uncertainty of the jet energy scale.
The large theoretical uncertainties indicate the need for calculations including higher-orders. Such NNLO calculations will allow to fully exploit the sensitivity of the low Q² jet data in QCD PDF fits and in fits to extract values of αs.

In the second part of this thesis, a study of radiation damage of silicon sensors by 12 keV X-rays for doses up to 1 GGy is presented. For this study, an irradiation facility has been set up at HASYLAB at DESY. Test structures (gate-controlled diodes) have been irradiated and the properties of the Si-SiO2 interface under high irradiation have been studied using current versus voltage (I/V), capacitance versus voltage (C/V), and thermally depolarization relaxation current (TDRC) measurements. In addition to a strong increase and subsequent decrease of the interface current and the flat-band voltage as function of dose, strong hysteresis effects have been found.
The data can be qualitatively described by a model which includes interface traps and fixed oxide charges. The model predictions were used in combination with in C/V and TDRC measurements to separately determine the different types of traps present at the Si-SiO2 interface and the charges in the SiO2.
The parameters extracted in this studies are to be implemented into simulations with the goal of reproducing the measurements and later use them for the design of radiation hard sensors for the AGIPD project.