23.Juni 2006 Sommersemester 2006 Detektoren bei Dr. M. zur Nedden
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123.Juni 2006 Sommersemester 2006 Detektoren bei Dr. M. zur Nedden
Das Large Hadron Collider beauty
Experiment am CERNvon Regina Kwee
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Topics
1. Intro2. CP-Verletzung bei B-Mesonen3. Das Experiment und seine
Detektoren4. Triggersystem und Datenerfassung
[DAQ]
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Wozu LHCb ? • besseres Verständnis von CP-Verletzung
– Ursprung?– Beitrag nicht nur vom SM?– CP-Mechanismus und Kosmologie?
• Überprüfung des SM – Beobachtung seltener Zerälle
• systematische Suche nach neuer Physik
B-Sektor bietet Vielzahl von Zerfällen, wo SM präzise Vorhersagen über CP-V macht!
Erweiterung zu BELLE, BaBar und CDF
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CP-Verletzung
• generiert durch unitäre CKM-Matrix
• Wolfenstein-Parametrisierung: Reihenentwicklung in
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CP-Verletzung
relevant für • bekannt• bekannt aus
Matrix ist eindeutig durch bestimmt !
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CP-Verletzung
9 Unitaritätsbedingungen6 Unitaritätsdreiecke, davon2 interessante für B-Mesonen
Winkelbestimmung
entweder indirekt über die Dreieckseiten oder direkt
durchdie Vorhersage des SM vonCP-Verletzung
unterschiedliche Ergebnisse
neue Physik…!
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CP-Verletzung
indirekt
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Zerfallskanäledirekt
Messung von
aber stark verunreinigt durch
misst auch , aber Prozess ist dominiert durch
„pinguin loops“, SM-Test !
9
Zerfallskanäledirekt
Messung von
SM: kleine CP-Verletzung in Wenn es einen neuen neutralen flavour-ändernden
Strom gibt, dann deutlicher Effekt sichtbar!
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@CERNLHCb ist eines der 4 größeren Experimente am CERN• Luminosität von Anfang an konstant• minimaler bunch crossing Abstand
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Der Detektor
• Vorwärtsdetektor, denn– B-Hadronen werden in
denselben Vorwärts-, bzw. Rückwärtskegel produziert (flavourtag)
– bessere Vertexauflösung als bei Zentraldetektor, da näher am IP
– Vermessung der doppelten Trajektorie
• aber– sehr hohere Teilchendichte, d.h. harte Strahlbelastbarkeit für Elektronik, Teilchenfluss von bis zu– Hälfte der Teilchen geht verloren („missing arm“)
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Der Detektor
Akzeptanz x-z: 10-300 mrad ; y-z: 10-250 mrad
Seitenansicht
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Tracking System• warmer Magnet• VeLo-Detektor• Tracking Stationen TT, T1, T2, T3 (urspünglich
mehr)• Strahlrohr
Hauptaufgabe: relative Teilchenimpulsauflösung von für
jedes geladene Teilchen, entspricht B-Massenauflösung
von
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Magnet
• Geometrie durch Detektor-Akzeptanz bestimmt
• vertikales Feld mit max.1.1T
• homogenes B-Feld (essentiell für Spurenrekonstruktion)
• 9 km Al –Draht in 120kt Stahljoch
• Datennahme mit Umpolung
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VeLo - Vertex Locator
Vertex Rekonstruktion ist DIE entscheidende Aufgabe
tasks • genaue Zeitauflösung <
50 fs• akurate Spurenmessungen
nahe am WWP• triggert B-Mesonen durch
Sekundärvertex HLT• detektiert Spuren aller
Teilchen innerhalb der LHCb-Akzeptanz
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VeLo - Detektor
hardware• besteht aus 21 Si-
Scheiben entlang der Strahlachse
• jede Station besteht aus 2 Sensorebenen, die die r- und phi-Komponenten jeder Spur messen
• pile-up-veto-Zähler:– 2 Si-Scheiben bei kleinstem z– verwirft 80% der Mehrfach-
WW und behält 95% der Einzel-WW (Simulationen)
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VeLo - Detektor
readout• FE-Elektronik bis zu den L-0
Buffern sind 7 cm von der Strahlachse angebracht– Analoge Information von
220.000 Verstärkern wird über 7000 twisted pair-Kabel durch den Vakuum Tank zur readout-Elektronik 10m entfernt übertragen
Auflösung• Primärvertex
– ~40 µm in z, ~10 µm in x,y
• Sekundärvertex– Ø ~150-300 µm (50 fs)
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Trigger – Tracker
• schickt pT-Information an L1• wird zur offline-Analyse
benutzt um Teilchen mit niedrigen Impulsen zu erkennen die nie die T1-T3 erreichen oder außerhalb zerfallen (langlebige neutrale Teilchen)
Outer – Tracker
• ist um T1-T3 gelegen• detektiert Spuren mit
einem radial Winkel von > 15 mrad
• moderate Teilchendichte, daher Gas-Drift-Kammern geplant, mit Gasgemisch Ar 75 %-CF4 15%-CO2 10%
• an T1, T2 T3• höhere Teilchendichte : HL• 4 Teile• niedrige Belegung durch
unterschiedliche Granularität
Inner – Tracker
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Ring Imaging CHerenkov Detektor
Zweck• Teilchen Identifikation• 3σ Trennung zw. Pion und Kaon
über Impuls-range 1-150 GeV/c (90%)
• hohes pT –tag
Funktion• Abb. von Č-Ringen entlang der
Teilchenspur• mit gegebenem pT + Ringradius
erhält man die Masse• verschiedene n
R1 R2
1-40 GeV/c 5-150 GeV/c
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Kalorimeter• Messung der Gesamtenergie
für Teilchen mit hohem pT
– Scintillating Preshower Detektor, SPD
– Preshower, PS
– ECAL, HCAL
• Szintillationsschichten,15mm• Auslese nach WL-Shift mit PMP• MIP‘s erzeugen Lichtsignal
– SPD: Unterscheidet geladene und neutrale Teilchen– PS: schnelle Pion versus Elektron Verwerfung
→ Trigger
SPD, PS
ECAL
• „Shashlik“-Technologie– Module aus Blei-Absorber-Platten,
2mmSzintillatorschichten, 4mm
– 25 X0 dick (1.1 WWL)– design-Auflösung: σ(E)/E = .01/E + 0.015^2HCAL
• Sampling Struktur– Stahl 4mm, Szintillatorschicht 16mm
– 5.6 WWL dick– design-Auflösung:σ(E)/E = .64/E + 0.1^2
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Myon Kammer
• 5 Stationen M1-M5• getrennt vom CAL mit
800mm Stahl• Wahl auf MWPCs gefallen
– 1380 Kammern, 20 unterschiedliche Größen
• Granularität in horizontaler Ebene feiner
(track momentum)
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Front-End-Elektronik
• Ausleseelektronik für jeden einzelnen Detektor
• prozessiert die individuellen analogen Signale leitet sie 60m weiter in einen strahlungsfreien Raum (Driver)
• ODE: Digitalisierung und L1-Prozessierung, LCMS
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Datenverarbeitung DAQ
• zur Verarbeitung von 40 MB/s : Standard-Multi-Level-System
L0, L1 – Trigger: benutzen lokale Detektorinformation
HLT - Software - Trigger
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Level-0 Trigger
• 1. Stufe:L0-pile-up-veto:– rekonsruiert grob und
schnell Primärvertex: pro Bunchcrossing können mehrere pp-Kollisionen auftreten (40%). Werden im pile-up mehrere PV gefunden, wird event verworfen.
• 3 Trigger für hohes-pT
– e, had, photon, – cutparameter:
hohes ET
• 1 Myon-Trigger– rekonstruiert
Myonspuren– prüft ob high pT
Myon von Vertex-Region kommt
• Level-0-Entscheidung:Kombination aller L0-Trigger Ergebnisse und letzte Entscheidung
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Level-1 Trigger
• soll falsche hohes pT Ereignisse verwerfen, die zum UG gehören u.a.– MehrfachWW in
Detektormaterial,– überlappende
Schauer
• soll events verwerfen, die keine b-Hadronen enthalten, triggern SV
• führt zero level supression Algorithmus aus
• klustert hits• bei positiver Level-1-Entscheidung ⇨ HLT
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High-Level-Trigger
• L2– eliminiert Ereignisse mit falschem SV mit pT –
Info, treten auf bei mehrfach gestreute Niedrig-Impuls-Spuren
• L3– volständige und partiellen Rekontruktion der
Endzustände– wählt b-Hadron-Zerfälle– 200 Hz Speicherrate
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Daten FlussDAQ
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Referenzen
• LHCb Technical Proposal, Genf 1998• Doktorarbeit von B. Carron,
Lausanne 2005• Doktorarbeit von P.Koppenburg,
Lausanne 2002• lhcb.web.cern.ch
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backup
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semileptonische Zerfälle
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VeLo - Detektor
Signalerzeugung • geladenes Teilchen
ionisiert ein oder zwei Si-Streifen→el. Puls zum readout
• readout besteht aus 16 chips pro Sensor, deren input Rate 40 MHz ist
• 4µs Zeit werden die gebuffert bis L0-Entscheidung kommt
• dann serielle Auslese in 32 readout lines zu einer 60 m entfernten, strahlungsreien Umgebung
• off-Detektor-Prozessierung