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Kalorimeter 2

Benno ListBenno List

Universität HamburgUniversität Hamburg

Vorlesung “Detektoren für die Teilchenphysik”Vorlesung “Detektoren für die Teilchenphysik”

Teil 10: Kalorimeter 2Teil 10: Kalorimeter 27.1.20087.1.2008

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Literaturhinweise, Quellen

Bücher– T. Ferbel: Experimental techniques in high-energy nuclear and particle physics (2nd

ed.), Singapore (World Scientific) 1991.– C. Grupen: Teilchendetektoren, Mannheim (BI-Wiss.-Ver.) 1993.– K. Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung (4. Aufl.), Wiesbaden (Teubner) 2005.

Übersichtsartikel:– C. Leroy and P. Rancoita: Physics of cascading shower generation and propagation in

matter: Principles of high-energy, ultrahigh-energy and compensating calorimetry, Rept. Prog. Phys. 63 (2000) 505.

– K. Kleinknecht: Particle Detectors, Phys. Rept. 84 (1982) 85. – Review of Particle Properties: Artikel “Passage of particles through matter” und “Particle

detectors”, siehe http://pdg.web.cern.ch/pdg/

Vorlesungen:– M. Krammer: Detektoren, VL SS 07,

http://wwwhephy.oeaw.ac.at/p3w/halbleiter/VOTeilchendetektoren.html.– G. Steinbrück: Detektoren in der Teilchenphysik, Uni Hamburg, WS 06/07.

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Inhalt

Letztes Jahr:● Einführung● Elektromagnetische Kalorimeter:

– Elektromagnetische Schauer– Bauformen– Energieauflösung– Beispiele

Heute:● Hadronische Kalorimeter

– Hadronische Schauer– Kompensierende Kalorimeter– Beispiele: CMS und ATLAS

● Neues Konzept: Particle Flow

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Einführung

Wozu braucht man Kalorimeter?● Schwierigkeit der Impulsmessung bei hochenergetischen Teilchen,

Probleme wg. Bremsstrahlungsverlusten bei Elektronen● Messung neutraler Teilchen● Elektromagnetische Kalorimeter messen:

– Elektronen– Photonen– π0 (->γγ)

● Situation bei Hadronen etwas anders:– Energieauflösung schlechter (>35%/√E statt 10%/√E)

=> Kalorimeter erst bei hohen Impulsen besser als Tracker

– Langlebige neutrale Hadronen relativ selten: Neutron, KL0

– => Solange gutes Tracking von p/π+/K+ möglich ist und bei Impulsen <30GeV sind hadronische Kalorimeter verzichtbar => z.B. bei LEP (e+e-)

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Wann braucht man hadronische Kalorimeter?

Ein Hadron kommt selten allein (Ausnahme: τ+->π+ντ):Hadronen treten i.d.R. in Jets auf

● Jets haben typ. einen Radius von ~0.5 in η/φ(Pseudorapidität η = -ln [tan θ/2]):η = 0, 1, 2, 3, 4 <=> θ = 90˚, 40˚, 15˚, 5.7˚, 2.1˚

● Bei Hadron-Collidern: Jets gleichmäßig verteilt in η=> viele Jets bei kleinen Winkeln

● Gutes Tracking unterhalb von θ = 15˚ (η = 2) sehr schwierig!● Relevante max. Jet-Energien (Größenordnung):

ca. 100GeV (LEP), 300GeV (HERA,Tevatron), 2TeV (LHC)

=> Hadron-Kalorimeter sind notwendig● bei großen Jet-Energien (>100GeV)● für eine gute Jetmessung bei |η| > 2

(bei LHC: Abdeckung bis |η| < 5 nötig für Transversalimpulsbilanz!)

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Wechselwirkung von Hadronen mit Materie

● Bremsstrahlung: proportional zu γ4 = (E/m)4 => schon für Pionen vernachlässigbar

● Energieverlust durch Ionisation und hadronische Wechselwirkung● Starke WW: Kurzreichweitig, sehr stark

=> Nukleonen sind “schwarze Scheiben”,Wirkungsquerschnitt ~ geometrischer Querschnitt

● Kern: Radius ~ A1/3 => Fläche ~ A2/3 ● => Mittlere freie Weglänge (Absorbtionslänge)

λa = 1 / (n A2/3 σN,tot) = A / (NA ρ A2/3 σN,tot) = A1/3 / (NA ρ σN,tot)(NA = 6.022·1023 Avogadro-Zahl, n = NA ρ/A: Dichte der Atome,σN,tot : Wirkungsquerschnitt für ein Nukleon)

● Mittlere Weglänge zwischen zwei inelastischen Reaktionen:λint = A1/3 / (NA ρ σN,inel) ≈ 35g/cm2 · A1/3 / ρ mit σN,inel ≈ 47mb

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Hadronische Wechselwirkungen

● Hochenergetisches Hadron wechselwirkt mit quasi-freiem Nukleon im Kern -> hochenergetische Sekundärteilchen (vor allem π±, π0->γγ, η->γγ, K± etc)

● Sekundärteilchen wechselwirken z.T. nochmals im Kern=> intranukleare Kaskade

● Kernnukleonen erhalten Energie, werden abgedampft● Angeregter Kern regt sich ab: γ-Emission, p/n-Emission,

u.U. Kernspaltung (in Uran!) => Kernfragmente, schnelle Neutronen

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Hadronische Wechselwirkungen 2

● Detailliertes Verständnis hadronischer Schauer erfordert Verständnis von– Wechselwirkung freier Hadronen– Einfluß der Kernmaterie auf intranukleare Kaskade– Verständnis der Kernreaktionen– Verständnis des Vrhaltens von Neutronen in Materie

=> Detaillierte Simulation von Neutronen in Uran: wichtig für Kernwaffen=> Verwendung der Simulationsprogramme wird z.T. kontrolliert (FLUKA)

● Populäre Simulationsprogramme:– FLUKA (www.fluka.org)– GHEISHA– CALOR

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Spallation

● Spallation (engl. to spall: abspalten):Kernumwandlung durch hochenergetisches Hadron,Emission von hochenergetischen Sekundärteilchen(Protonen, Neutronen, Alphas, Mesonen)

● Spallation ist der wahrscheinlichste Prozess für primäre Hadron-Kern-Wechselwirkung

● Kern bleibt in angeregtem Zustand zurück

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Kernanregung

● Angregter Kern strahlt zunächst Protonen und Neutronen ab, bis Restenergie geringer als Bindungsenergie der Nukleonen ist

● Restliche Abregung durch Gamma-Strahlung● Zeitskala: Typ. 10-18 s (bis Großteil der Energie abgestrahlt ist)● Dieser Prozess “verschluckt” Energie: Freisetzung von Nukleonen

kostet Bindungsenergie => unsichtbare Energie

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Kernspaltung (Fission)

● Bei schwerenElementen, spez. Uran, kann der angeregte Kern in zwei (selten drei) große Bruchstücke spalten

● Führt zu Energiefreisetzung (d.h. Teil der verlorenen Energie wird zurückgewonnen), und erzeugt sekundäre Neutronen

● Neutronen können in Uran Spaltung induzieren=> Neutronenenergie teilweise “sichtbar”

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“π0-Fluktuationen”: El.-mag. Teilkaskaden

● π0- und η-Mesonen zerfallen sofort in γγ=> erzeugen elektromagnetische (Teil)kaskaden

● Elektromagnetischer Schauer ist viel kompakter als rein hadronischer Schauer, gesamte Energie sichtbar

● Anteil fem der Energie elektromagnetischer Teilschaueran der Gesamtenergie:– Mittelwert hängt von der Energie des Primärhadrons ab:

– Fluktuiert sehr stark, Fluktuationen dominiert durch erste Wechselwirkung● Unterschiedliche Signalhöhen für hadronischen und

elektromagnetischen Teil des Schauers führen zu:– verschlechterter Auflösung– Nichtlinarität

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Aufteilung der Energie

● Großer Anteil unsichtbarer Energie (32-45%)● Großer Anteil von Energie durch schwere, stark ionisierende

Protonen und Kernbruchstücke (38-56%)● Erheblicher Anteil von Neutronen (8-15%)

Tab. 11 aus Leroy&Rancoita 2000, p. 561

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Schauerausdehnung

● Maximum (E in GeV)tmax [λI] = 0.2 ln (E) + 0.7

● 95% (99%) der Energie eines 100GeV-Hadrons in ca. 7.4 (10) λI

● Lateral: Ca. 95% der Energie in Radius von 1λI

Aus Rev.Part.Prop. 2006

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Hadronische und elektromagnetische Schauer

Hadronisch ElektromagnetischGroße freie Weglänge Kleine freie Weglänge

Großer Anteil unsichtbarer Energie Keine unsichtbare Energie

Großen Anzahl von Sekundärteilchen pro Wechselwirkung

Zwei Sekundärteilchen pro Wechselwirkung

Viele verschiedene Sekundärteilchen: Kerne, p, n, γ, π±, π0->γγ

Zwei Arten von Sekundärteilchen: e±, γ

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Materialien

Tab. 12 aus Leroy&Rancoita 2000, p. 562.

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Sampling Fractions

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Sampling Fractions 2

● Sampling Fractions realer Teilchen (e, γ, μ, π±, p)werden zurückgeführt auf sampling fractions gedachter Teilchen:– mip: Minimalionisierendes Teilchen, Energieverlust nur durch Ionisation– e: Elektron/Positron => rein elektromagnetischer Schauer– h: “Hadron”, hadronischer Schauer ohne elektromagnetische Komponente

● Z.B.: π = fem ·e + (1-fem)·h

● Signalhöhe ist proportional zur sampling fraction● Meist werden Verhältnisse von sampling fractions betrachtet:

– Direkt messbar: e/π, π/p– Theoretische Verhältnisse: e/mip, μ/mip, h/mip, e/h

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e/mip-Verhältnis

e/mip

e/mip

1.0

1.0

0 0.4

0.8

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e/π-Verhältnis

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Kompensation

● Kompensation: Gleiches Signal von em und had. Schauern:

e/π = 1● Wegen π(E) = fem ·e + (1-fem)·h folgt:

h/mip = e/mip

Wege zur Kompensation:● Verringere e/mip: Nutze Übergangseffekt:

große Schichtdicken, Absorber mit großem Z, Aktives medium mit geringem Z (Uran/Szintillator besser als Blei/LAr)

● Erhöhe h/mip: Beträchtliche Verluste aufgrund unsichtbarer Energie (fbind)=> erhöhe Signal für sichtbare Kompoinenten, speziell Neutronen

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Neutronen

● Neutronen wechselwirken auf verschiedene Arten mit Materie:– elastische Streuung A (n, n) A

=> wichtig: elastische Streuung an Wasserstoff (Protonen):im Mittel wird 50% der Energie auf Proton übertragen! => Nachweisbei schwereren Kernen sehr viel weniger!

– inelastische Streuung – Neutroneneinfang A (n, γ) A' => erzeugt Gammastrahlung => Nachweis– Reaktionen mit Abstrahlung geladener Teilchen (n, p), (n, d), (n, α) ...– Kernspaltung (Uran!) => Vermehrung der Neutronen

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Neutronen 2

● Für Neutronennachweis:Verwende Wasserstoffreiches Nachweismedium:Szintillator

● Stöße der Neutronen an Wasserstoff erzeugen hochenergetische Protonen => Ionisation => Nachweis

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Wege zur Kompensation

● Absorber mit hohem Z und aktives Material mit geringem Z:Verringert e/mip durch Migrationseffekt

● Verwendung von Uran als Absorber:Kernspaltung verstärkt hadronische Komponente, mehr Neutronen

● Aktives Material mit viel Wasserstoff (Szintillator):Guter Nachweis der Neutronen

● Dicken von aktivem Material und Absorber müssen genau aufeinander abgestimmt sein!I.a. relativ geringer Bruchteil an aktivem Material

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Vorteile der Kompensation

● Signalhöhe ist proportional zur Teilchenenergie● Auflösung σ(E)/E verbessert sich wie 1/√E● Signal ist gaussförmig● Insgesamt: Bestmögliche hadronische Auflösung

Erreichbar: 35%/√E (Uran-Szintillator)

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Kompensation bei ZEUS

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Kompensation bei ZEUS 2

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Konsequenzen von Kompensation

● Intrinsische Kompensation benötigt i.A.:– Möglichst keine Unterschiede zwischen elektromagnetischem und

hadronischem Teil des Kalorimeters (d.h., selbes Absorbermaterial, selbe Sampling-Fraction)

– Aktives Material mit hohem Wasserstoffanteil: Szintillator, LAr plus G10 (Kunststoffplatten)

– Kleine Sampling-Fraction– Absorbermaterial Blei oder Uran

● (Negative) Konsequenzen:– Kompromittierung der Messung von Elektronen und Photonen:

Geringe Sampling Fraction führt zu großen Sampling-Fluktuationen,typ: σ(E)/E = 17%/√E

– (Sehr) feine Segmentierung bei Szintillatoren i.A. teuer im Vergleich zu Lar– Hohes Z des Absorbers -> hoher Energieverlust/Coulomb-Streuung für Myonen– Bei Uran als Absorber: Rauschen durch Radioaktivität,

Problematisch im Umgang

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Alternativen zur (Hardware-) Kompensation

● Nichtkompensierende Kalorimeter: Elektromagnetische (Teil)schauer erzeugen größeres Signal alshadronische Schauerkomponente

● Nutze unterschiedliche Eigenschaften von hadronischen und elektromagnetischen Schauern für Korrektur:– Elektromagnetische Schauer sind kompakt:

Gesamte Energie wird in ca. 25X0 deponiert, entspricht typ. 1λabs => Wichte Bereiche hoher Energiedichte herab (sotware weighting)

– Elektromagnetische Schauer sind reich an hochrelativistischen Elektronen:=> Čerenkov-Strahlung=> Dual readout: Sinzillatoren und Čerenkov-Detektoren:elektromagnetische Komponente wird direkt gemessen!

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Software-Kompensation

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Software-Kompensation 2

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Hadron-Kalorimeter von CMS

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Hadron-Kalorimeter von CMS 2

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Hadron-Kalorimeter von CMS 3

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Hadron-Kalorimeter von CMS 4

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Hadron-Kalorimeter von ATLAS 1

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Hadron-Kalorimeter von ATLAS 2

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Neues Konzept: Energy Flow

● Für Physik-Performance wichtig:Gute Messung von Jet-Energien und -Richtungen

● Messung sehr hochenergetischer, einzelner Hadronen ist nicht unbedingt ausreichend:– Magnetfeld verschiebt Auftreffpunkt geladener Hadronen im Kalorimeter– Nieder- und mittelenergetische (geladene) Hadronen werden vom Tracker

besser gemessen● Ziel: Führe Informationen von Tracker, elektromagnetischem und

hadronischen Kalorimeter zusammen● Dafür notwendig: Verfolgung der Energiedeposition von Elektronen,

Gammas, Pionen etc. in das und im Kalorimeter ● Weiterentwicklung der bei LEP benutzten Verfahren

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Energy Flow am ILC

● ILC: International Linear Collider (geplant), e+e-, 500-800GeV● Betrachte ZZ->4j, WW->4j: Ziel: Trennung beider Prozesse,

wichtig für Präzisionsphysik● Benötigt σ(Ejet)/Ejet = 30%/√Ejet

=> selbst mit kompensierendem Kalorimeter kaum (nicht) erreichbar!

http

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lr.in

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Simulation

from: http://llr.in2p3.fr/activites/physique/flc/justif/justif-granul.html

MC-Wahrheit Rekonstruktion

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Detektoranforderungen für Energy Flow

● Großes Magnetfeldund großer Tracker-> weite Auffächerung der Jets

● Sehr fein segmentiertes Kalorimeter (transversal undlongitudinal!):ca. 43-48 Lagen im had. Kalorimeter!

● Konzept:– em Kalo aus Wolfram+Silizium– had. Kalo aus Eisen und

Szintillatoren mit neuen,sehr kleinen Photodetektoren:Silicon-PMs

● Entwicklung hier am DESY!from: http://www.hep.phy.cam.ac.uk/~thomson/pandoraPFA/tt_3x3HCAL.gif

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Simulationsstudien

Mark Thompson: Particle Flow Calorimetry. Talk at EPS 2007http://agenda.hep.man.ac.uk/materialDisplay.py?contribId=397&sessionId=2&materialId=slides&confId=70

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Reserve

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Hohes oder Mittleres Z?

Vorteile von hohem Z:● Geringe Strahlungslänge X0 in g/cm2:

geringes Gesamtgewicht des Kalorimeters● Geringe Strahlungslänge X0 in cm:

kompaktes Kalorimeter● Kleiner Molièreradius RM:

Gute Ortsauflösung, Trennung einzelner Teilchen

Vorteile von mittlerem Z:● Z passt i.a. besser zum Z des aktiven Mediums

=> größeres e/mip-Verhältnis (später)● Kleineres Verhältnis X0 / λInt ~ A2/3 / Z2:

Hadronen werden im Vergleich zu Myonen besser gestoppt=> Besserer Myon-Nachweis