Report of the Topical Group on Micro-Pattern Gaseous Detectors for Snowmass 2021

This report summarizes white papers on micro-pattern gaseous detectors (MPGDs) that were submitted to the Instrumentation Frontier Topical Group IF05, as part of the Snowmass 2021 decadal survey of particle physics.Comment: contribution to Snowmass 202

R&D Paths of Pixel Detectors for Vertex Tracking and Radiation Imaging

This report reviews current trends in the R&D of semiconductor pixellated sensors for vertex tracking and radiation imaging. It identifies requirements of future HEP experiments at colliders, needed technological breakthroughs and highlights the relation to radiation detection and imaging applications in other fields of science.Comment: 17 pages, 2 figures, submitted to the European Strategy Preparatory Grou

Innovative silicon pixel sensors for a 4D VErtex LOcator detector for the LHCb high luminosity upgrade

To fully exploit the instantaneous luminosity that LHC could provide at interaction point 8, where the LHCb experiment is located, a second experiment upgrade, called upgrade II, is planned to take place during Long Shutdown 4 in 2033. In order for the experiment to improve or at least maintain the current physics performances also in the high luminosity condition, several detectors will have to be upgraded or replaced and this is particularly true for the VErtex LOcator (VELO). In fact, dedicated simulations have shown a significant decrease of the vertices and tracks reconstruction efficiencies of the current VELO detector due to the increased pile-up of the the high luminosity condition. Moreover the harsher radiation environment will also provide a higher radiation damage to the detectors, much higher than the current VELO detector can withstand. The most promising solution to recover the tracking and vertices performances in the high luminosity condition is the development of a new 4D vertex detector capable to measure the time information of the tracks by using pixel sensors with an accurate spatial and time resolution for the particles detection. This set the stage for the development of innovative pixel sensors with unmatched time resolution of the order of tens picoseconds and featuring high radiation hardness. The TimeSPOT (Time and SPace real-time Operating Tracker) project has the aim to cope with these requirements by means of new 3D silicon pixels optimized for the measurement of particle timing. The work described in this thesis has been done in the context of this project and concerns the accurate characterizations of the innovative 3D trench silicon sensors, developed by the TimeSPOT collaboration, in terms of time resolution, detection efficiency and radiation hardness

Physics opportunities with future proton accelerators at CERN

We analyze the physics opportunities that would be made possible by upgrades of CERN's proton accelerator complex. These include the new physics possible with luminosity or energy upgrades of the LHC, options for a possible future neutrino complex at CERN, and opportunities in other physics including rare kaon decays, other fixed-target experiments, nuclear physics and antiproton physics, among other possibilities. We stress the importance of inputs from initial LHC running and planned neutrino experiments, and summarize the principal detector R&D issues.Comment: 39 page, word document, full resolution version available from http://cern.ch/pofpa/POFPA-arXive.pd

On the spectrometry of laser-accelerated particle bunches and laser-driven proton radiography

The increased availability of high-power laser systems operating with relatively high repetition rates (∼ 1 Hz), such as installed in the upcoming Centre for Advanced Laser Applications (CALA), are pushing laser-driven ion acceleration towards applications beyond fundamental research. With energies of laser-accelerated protons approaching 100 MeV, great interest in the community is devoted to biomedical applications like small-animal irradiation and imaging of biological samples. Such laser-accelerated ion bunches exhibit unique properties as compared to conventionally accelerated particles from electrostatic or radio-frequency driven accelerators. Among these characteristics are high beam intensities (∼ 10^9 protons/ns), a broad energy distribution (∼ 100%) and a strong electromagnetic pulse generated in the laser-plasma interaction. Due to these peculiar properties, conventional beam monitoring devices as installed e.g. in clinical ion beam facilities are not suitable for the characterization of laser-accelerated ion bunches and no system is available to date allowing for online beam monitoring simultaneous to an application. Within the framework of this thesis, two approaches for characterization of laser-accelerated proton bunches in terms of energy spectrum have been investigated and prototype systems have been developed and tested. The first setup is based on the time-of-flight (TOF) technique. The continuous energy distribution is deconvolved from the TOF signal current measured by a novel thin silicon detector which is exposed to temporally divergent polyenergetic proton bunches, taking into account the finite response function of the detector and the associated readout electronics. Measurements were performed in the energy range up to 20 MeV using nanosecond-short and passively energy-modulated proton bunches from a Tandem accelerator, as well as using laser-accelerated proton bunches obtained in experiments at the Laboratory for Extreme Photonics. A comparison of the reconstructed energy spectra to Monte Carlo simulations and measurements using a magnetic spectrometer has shown promising agreement. In the studied energy range and for the tested TOF distances, the reconstructed particle number and the mean reconstructed energy agreed with expectations within 12% and 2%, respectively. In the second investigated setup, the sensor chip of a hybrid pixel detector Timepix was irradiated edge-on with protons in the energy interval between 17 and 20 MeV. Spatial information along one axis perpendicular to the proton beam direction was obtained due to the pixelation of the detector. Although this spectrometric setup is only suitable for low proton fluences (< 7 × 10 3 protons/cm 2 ) per acquisition frame, which is far below typically obtained fluences from laser-ion acceleration experiments, the developed spectrum reconstruction method could be applied to other detector types providing a higher saturation limit than the used Timepix detector. As this thesis is dedicated to biomedical applications using laser-accelerated proton bunches, a feasibility study was performed to assess the applicability of laser-driven proton radiography of millimeter to centimeter sized objects using pixelated semiconductor detectors and polyenergetic proton bunches in the energy ranges up to 20 MeV and up to 100 MeV. The study was based on Monte Carlo simulations and was supported by a proof of principle experiment with an energy-modulated proton beam from a conventional Tandem accelerator. Sub-mm spatial resolution and density resolution below 3% were found for all objects investigated within this study and the optimized geometric distances. Motivated by the promising results obtained within this thesis, the TOF spectrometer will be implemented as diagnostic device in the laser-ion acceleration setup at CALA in the near future. Moreover, a radiographic imaging setup using laser-accelerated proton bunches and pixelated silicon detector, based on the results obtained within this thesis, is foreseen.Die vermehrte Verfügbarkeit von Hochleistungslasersystemen mit relativ hohen Pulswiederholungsraten (∼ 1 Hz), wie beispielsweise im Centre for Advanced Laser Applications (CALA), öffnen neue Wege für Anwendungen von Laser-Ionen-Beschleunigung, die über die Grundlagenforschung hinausreichen. Da sich die erzielten Energien von laser-beschleunigten Protonen den 100 MeV annähern, steigt das Interesse an biomedizinischen Anwendungen wie beispielsweise Kleintierbestrahlungen und Bildgebung von biologischen Proben. Die Eigenschaften solcher laser-beschleunigter Ionenpulse sind einzigartig verglichen mit konventionell beschleunigten Teilchen von elektrostatischen oder von Beschleunigern basierend auf elektromagnetischen Wechselfeldern. Zu den Merkmalen zählen die hohen Intensitäten (∼ 10^9 Protonen/ns), ein breites Energiespektrum (∼ 100%) und der starke elektromagnetische Puls, der in der Laser-Plasma-Interaktion erzeugt wird. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften sind herkömmliche Strahlüberwachungssysteme, wie beispielsweise in klinischen Ionenstrahleinrichtungen eingesetzt, nicht geeignet. Bisher ist kein System verfügbar, welches eine Echtzeitstrahlüberwachung parallel zu einer Anwendung erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Ansätze zur Charakterisierung laser-beschleunigter Protonenpulse hinsichtlich ihres Energiespektrums untersucht. Prototypen wurden entwickelt und getestet. Der erste Ansatz basiert auf der Flugzeitmessung (time-of-flight - TOF). Die kontinuierliche Energieverteilung wird aus dem gemessenen TOF-Signal herausgefaltet. Dieses wird mit Hilfe eines neuartigen dünnen Siliziumdetektors aufgezeichnet, der dem zeitlich auseinanderlaufenden polyenergetischen Protonenpuls exponiert ist. Die Ansprechfunktion des Detektors und der zugehörigen Ausleseelektronik wird hierbei berücksichtigt. Messungen wurden im Energiebereich bis 20 MeV mit nanosekunden-kurzen und passiv Energie-modulierten Protonenpulsen eines Tandem-Beschleunigers, sowie mit laser-beschleunigten Protonenpulsen am Laboratory for Extreme Photonics, durchgeführt. Vielversprechende Übereinstimmungen wurden beim Vergleich der rekonstruierten Energieverteilung zu Monte-Carlo Simulationen und zu Messungen mit Hilfe eines Magnetspektrometers gefunden. Für den getesteten Energiebereich und TOF-Distanzen waren die Abweichungen zwischen Rekonstruktion und Erwartungen bei Teilchenzahl und mittlerer Energie kleiner als 12%, beziehungsweise 2%. Im zweiten untersuchten Aufbau wurde die Sensorchipkante des hybriden Pixeldetektors Timepix mit Protonen im Energieintervall zwischen 17 und 20 MeV bestrahlt. Räumliche Information entlang einer Achse senkrecht zur Strahlrichtung wurde aufgrund der Pixelierung des Detektors erhalten. Dieser spektrometrische Aufbau ist nur für niedrige Protonenfluenzen (< 7 × 10 3 Protonen/cm 2 ) pro Aufnahmebild, welche weit unter typischen Fluenzen in Laser-Ionen-Beschleunigung liegt, geeignet. Dennoch kann die in dieser Arbeit entwickelte Rekonstruktionsmethode für andere Detektortypen, mit höherer Sättigungsgrenze als der Timepix-Detektor, angewandt werden. Da diese Dissertation das Ziel einer biomedizinische Anwendung von laser-beschleunigten Protonenpulsen verfolgt, wurde eine Studie durchgeführt um die Machbarkeit von laserbeschleunigter Protonenradiographie von Millimeter- bis Zentimeter-großen Objekten und pixelierten Halbleiterdetektoren zu eruieren. Der Energiebereich der polyenergetischen Protonenpulse war hierbei bis 20 MeV und bis 100 MeV. Die Studie basiert auf Monte-Carlo Simulationen und wurde durch ein Proof-of-Principle Experiment mit einem Energiemodulierten Protonenstrahl von einem Tandembeschleuniger unterstützt. Die gefundene räumliche Auflösung und die Dichteauflösung war im sub-Millimeterbereich, bzw. besser als 3% für alle in dieser Studie getesteten Objekte und für die optimierten geometrischen Abstände. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse, die im Zuge dieser Arbeit gewonnen wurden, wird das Flugzeitspektrometer als diagnostisches System für die Laser-Ionen-Beschleunigung an CALA in naher Zukunft eingesetzt. Desweiteren ist ein Aufbau zur Bildgebung mittels laser-beschleunigter Protonen und einem pixelierten Siliziumdetektor, basierend auf den in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse, vorgesehen