Development of fast and radiation hard Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) optimized for open charm meson detection with the CBM experiment

L'expérience CBM (Compressed Baryonic Matter) a pour objet d'explorer le diagramme des phases de la matière nucléaire dans la région des hautes densités baryoniques au moyen de collisions d'ions lourds à des énergies de faisceau comprises entre 10 et 40 AGeV. Dans le but d'étudier le charme ouvert (D0 et D+) avec CBM, un détecteur de vertex (MVD) présentant à la fois un faible budget de matière, une excellente résolution spatiale et une bonne tolérance aux radiations est requis. Cette étude vise à déterminer dans quelle mesure un MVD constitué de capteurs CMOS (MAPS) peut garantir de telles performances. Dans cette optique le cahier des charges du MVD a été établi. Les mécanismes de dégradation par irradiation des MAPS ont été étudiés pour en améliorer la tolérance d'un ordre de grandeur. Les résultats de ces études ont permis de réaliser des simulations avec GEANT, et de démontrer la faisabilité du programme de physique portant sur le charme ouvert avec un tel concept de détecteur.The Compressed Baryonic Matter experiment (CBM) will investigate heavy ion collisions at beam energies between 10 and 40 AGeV in order to explore the nuclear matter phase diagram in the high baryon density region. For a first time, open charm mesons (D0 and D±) will be used as probe for the nuclear fireball. Reconstructing them requires a very thin (few 0.1 % X0 per layer) micro vertex detector (MVD) with pixel sensors featuring excellent spatial resolution (few µm) and substantial radiation hardness. This work studies whether (and how) an MVD based on the novel Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) can the reach the performance needed. For this purpose, the precise requirements on the MVD in terms of material budget, cooling, time resolution and radiation hardness were estimated. Extensive R&D studies on MAPS allowed establishing their performances in particular in the field of radiation tolerance and to improve this tolerance by one order of magnitude. The information obtained was used as input for a GEANT simulation which demonstrated the feasibility of open charm physics with the proposed detector concept