3. TESLA-Detektor Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen

Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 1

3. TESLA-Detektor

Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen


Physikalische Fragestellungen

Beschleuniger mit hoher Luminosität

Detektor für Präzisionsmessungen

Ziel: Präzisionsuntersuchungen

des Higgs-Sektors

des SUSY-Teilchen-Spektrums

von „alternativen“ Theorien

des „bekannten“ Standardmodells (t,W)

•ZHH

Weg:

Selektion von seltenen Prozessen ( = 0.3 fb für ZHH = 1/10000 UG)

Genaue Rekonstruktion von Leptonen, Photonen, Jets und Fehlender Energie


Warum nicht LEP/SLC Detektoren kopieren ?

Anforderungen durch Physik und Beschleuniger höher

und verschieden zu denen am LHC


Anforderungen durch die Physik

Impuls: (1/p) = 7 x 10-5/GeV (1/10xLEP,LHC) Bestimmung von e+e-ZHllX

Stossparameter : d=510/p(GeV)m (1/3xSLD) “flavour tagging“, z.B. Messung der Verzweigungsverhältnisse des Higgs-Bosons

Jetenergie: E/E = 0.3/E(GeV) (<1/2xLEP) MDijet ~ Z/W z.B. Trennung von e+e-WWqqqq and e+e-ZZqqqq

LC LEP

Rekonstruktion von Multijetendzuständen: e.g. e+e-H+H- tbtb bqqb bqqb

hermetisch bis zu Winkeln von 5 mrad Signaturen mit fehlender Energie (z.B. SUSY)


Anforderungen durch Beschleuniger

Zeitstruktur:

Ereignisraten: Luminosität: 3.4x1034 cm-2 s-1 (6000xLEP)e+e-qq,WW,tt,HX 0.1 / train e+e-X:~200 /train

Untergrund durch Beamstrahlung: 600 Treffer/BX im Vertexdetektor6 Spuren/BX in TPC Vertexdetektor und TPC „integrieren“ über 150 BX

Auslesegeschwindigkeit / Granularität für stabile und effiziente Ereignisrekonstruktion

Strahlenhärte (fast) kein Problem im Vergleich mit LHC 1. Lage des Vertexdetektors: n/cm2/yr 109 TESLA, 1014 LHC Strahlenbelastung durch Untergrund, kaum durch Physikereignisse

950 µs 199 ms 950 µs

2820 bunches

5 bunch trains/s tbunch=337ns

Design durch Präzisionsphysik bestimmt, nicht durch Strahlenhärte und Ereignisrate


Beamstrahlung und Maske

Abschirmung durch „Maske“

Dennoch:

VTX1: 0.03 Treffer/mm2/BX TPC: 6 Spuren, 1400 ,1500n/BX Kalorimeter: 12GeV/BX „Vorwärts“-Kal.: 20TeV/BX

6x1010 Photonen/BX 140000 e+e-Paare/BX + Sekundärteilchen

Beamstrahlung erzeugt

viele verschwinden entlang Strahlröhre (B=4 Tesla)

L*=3m


Detektorkonzept

Kein „Hardware-Trigger“, daher keine Totzeit kontinuierliche Datenauslese für einen „Bunch Train“ (1ms)

Nullunterdrückung, Treffererkennung, Digitalisierung in FE-Elektronik

Spurdetektoren und beide Kalorimeter innerhalb der Spule

Magnetfeld B = 4 Tesla

Große gasgefüllte zentrale Spurkammer

Präzisionsvertexdetektor


Impulsauflösung: Spurdetektoren

Unabhängig vom H Zerfall

Rückstossmasse zu : MH, ZH, gZZH, Spin

Winkelverteilung der : Spin, CP,...

Ziel: M<0.1x

(1/p)

= 7x10-5/GeV

Unterdrückung des Untergrundes

gute Auflösung für Rückstossmasse

e+e-ZZHX

Schlüsselprozess

Präzise Messung der Lepton-Impulse


Spurdetektorsystem im Überblick

Zentralbereich:Pixelvertexdetektor (VTX)Silizium-Streifendetektor (SIT)Zeitprojektionskammer (TPC)

Vorwärtsbereich: Räder in Silziumtechnologie (FTD) Vorwärtsspurkammer (FCH)(z.B. Strawtubes,Si-Streifen)

Anforderungen:

Effiziente Spurerkennung/gute Auflösung bis zu kleinsten Winkeln

Separate, robuste Spurfindung in TPC (240) und in VTX+SIT (7 Punkte) erlaubt gegenseitige Kalibration, Alignment

exzellente Impulsauflösung (1/p) < 7 x 10-5 /GeV

E- u. B-Feld


Gasgefüllter oder Silizium Spurdetektor?

gasgefüllt Silizium

Menschliches Auge bevorzugt „links“

für Spurerkennung


Motivation für eine TPC

Große Anzahl ~0(100) von dreidimensionalen Spurpunkten effiziente Spurrekonstruktion

Neue schwere stabile Teilchen GMSB SUSY: + G~ ~

Minimales totes Material geringer Einfluß auf Kalorimetrie geringe Vielfachstreuung wenig Photonkonversionen

dE/dx Teilchenidenzifizierung Spuren bis zu großem R Rekonstruktion von V0,„KinkTracks“


Impulsmessung mit der TPC

BL

Sagitta

4N

720

0.3BL geom)

2nktPu

0LXB

0.045(VS)

treuung)(VielfachS p (geom) p/p

kleine Punktauflösung punkt

hohes Magnetfeld B

großer Hebelarm L=Ra-Ri

viele Spurpunkte N

Materialen mit grosser Strahlungslänge X0


Design der TPC

Driftzeit 50 s = 160 BX 80000 Treffer in TPC (Physik+UG)

8x108 readout cells (1.2MPads+20MHz) 0.1% getroffen

Kein Problem für Spurerkennung und -rekonstruktion

0.7x

E- u. B-Feld


Technologien für Gasverstärkung

Alternativen: Gas Electron Multiplier u. MicroMEGAS

Elektronsignal auf Pads , 2 dim. Symmetrie, kleiner Abstand zw. Löchern (kaum ExB) intrinsisch bessere Auflösung

Unterdrückung des Ionenrückflusses

keine Drahtspannung dünnere Endkappen

Bisherige TPCs mit Drahtkammer:

breites Induktionssignal auf Pads

Auflösung limitiert durch: ExB Effekte,

Winkel zw. Spur u. Drahtebene

starker Ionenrückfluss ohne „Gating“

„dicke“ Endplatte wegen Drahtspannung


GEMS und MICROMEGAS

Lawine in GEM-Folie Kaskadierung möglich

Lawine zwischen Gitter und Pads

Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 %Ziel für Ortspunktauflösung: 100 m


GEM Auslese und Punktauflösung Auslese via Drahtkammer:

Auslese via GEM:

• induziertes positives Signal• Ladung auf mehreren Pads• verbesserte Punktauflösung

• induzierte Ladung zu klein • Elektronsignal auf den Pads• oft keine Ladungsteilung

Verbesserte Punktauflösung durch z.B. “Chevron”-Pads


Intermediäre Spurdetektoren SIT: 2 Lagen Si-Strips r = 10m

FTD: 7 Disks 3 Lagen aus Si-Pixeln 50x300m2

4 Lagen aus Si-Streifen r= 90mFCH: 4 LagenStrawtubes oder Siliziumstreifen

“Vorwärtsdetektoren” (e.g. e+e-WW qqlVerbesserte Impulsauflösung bei kleinen Winkeln

250 GeV

Spurmatching von TPC to VTX Vergrösserung um 4 %

Verbesserte Impulsauflösung: TPC+VTX: (1/p) = 0.7 x 10-4 GeV-1

V0-Reco. Eff. 73 86%

+SIT : (1/p) = 0.5 x 10-4 GeV-1


Spurdetektoren: Rekonstruktiongüte

e e HZ bb

Z-Masse Rückstossmasse

Nur TPC

TPC+ VTX + SIT

Effizienz der Spurrekonstruktion: =98.4% (inklusive Untergrund)


Rekonstruktionsgüte Physik

MH = 80 MeV

=0.03

e e HZ bb

Messgenaugkeit der Rückstossmasse (1.3 GeV) nicht durch Detektor sondern durch Beamstrahlung dominiert


Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor

Ziel: exzellente Identifikation von Quark Flavour

z.B: für Test von gffH~mf

via Messung der Verzweigungsverhältnisse Hbb,cc,gg mit Fehler O(%)

Mittel: Rekonstruktion von Sekundärvertices

Diskriminierende Grössen Zerfallslängensignifikanz /, Vertexmasse M, Vertexladung Q, ….

Alle Spuren im Zerfall finden

M

IP

Sekundärvertex


Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor

Präzise Messung des Stossparameters do

b: 300 m „harmlos“ c 75 m „herausfordernd“<p> = 1 bis 2 GeV

d= a b/p

Ziel: m m

do .

Kleines d: erster Spurpunkt nahe am IP kleines R1 gute Punktauflösung kleine Sensorzellen wenig Vielfachstreung,Konversionen dünne Sensoren

IP


Vertexdetektor: Konzept

Pixeldetektor mit 5 Lagen (15 bis 60 mm)

Radius der innersten Lage: 15 mm (1/2 SLD, 1/4 LEP)

Pixelgrösse: 20x20m2, Punkt < 3 m

Sensordicke: 0.1 % X0 pro Lage (1/4 SLD)

800 Millionen Auslesekanäle (300 Mpixel @SLD)


Vertexdetektor: Untergrund

Auslese an beiden Leiterenden in Lage1 Taktfrequenz 50 MHz, 2500 Pixelreihen komplette Auslesezeit: 50s ~ 150BX

<1% aller Pixel mit Treffer kein Problem für Spurerkennung

erwartet

e+e- Paare:

Grosses B-Feld wichtig

Erste Lage am kritischsten 0.03 Treffer/mm2/BX

100 krad in 5 Jahren


Vertexdetektor: TechnologieoptionenEtablierte Technologieoption: CCDs

Exzellente Erfahrung von SLD (300 Millionen Kanäle)

F&E: Effizienz und Stabilität des Ladungstransports Auslesegeschwindigkeit, dünne Sensoren, mechanische Stabilität, Strahlenhärte

„Neue“ Technologien: MAPS (Monolithtic Activ Pixel Sensors) und DEPFET (Depleted Field Effect Transistor)

jeder Pixel selektiv ansteuerbar

nur jeweils eine Zeile aktiv geringerer Leistungsverbrauch

erste Signalverarbeitung im Pixel geringeres Rauschen

Ste

ueru

ng

Auslese

Auslese


Vertexdetektor: TechnologieoptionenMonolithtic Activ Pixel Sensors

Depleted Field Effect Transistor

Standard CMOS-Technologie

Ladung aus „Epitaxial Layer“ diffundiert thermisch zum „N well“

Ladung wird in der Potentialmulde (internes „Gate“) gesammelt

Modulierung des Transistorstroms

p+

p+ n+

n

n+

totally depletedn --substrate

internal gate

rear contact

source top gate drain bulk potential via axistop-gate / rear contact

V

potential minimumfor electrons

p-channel

p+

--

- -++

++

--


Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte

Erwartete Auflösung in r,und r,z

= 4.2 4.0/p(GeV)m

c-Quark-ID: Faktor 2 bis 3 besser als SLD

1.Lage bei 1.5 cm wichtig !!(c-Tag: Effizienz um 10% kleiner ohne Lage 1)

•LEP-c

M

e.g. vertex mass



Messung von Hxx

Mit Genauigkeit von

2.4 % für bb

8.3 % für cc

5.5 % für gg



Detektordesign hat direkte Auswirkung auf Physikergebnisse !

Messung der Higgs Kopplungen an b und c Quarks:


Anforderungen an die Kalorimetrie

Primäres Ziel:

Exzellente Auflösung für Jet-Energien

E/E = 0.3/E (GeV) (1/2 LEP)

viel der LC Physik wird durch die Rekonstruction der invarianten Massen von Jets in hadronischen Endzuständen bestimmt

Genaue Rekonstruktion von Photonen (Energie und Winkel)

Hermetisch bis zu kleinen Polarwinkeln


Warum E/E = 0.3/E (GeV) ?

E/E = 0.3/E E/E=0.6/E

Falls kein Higgs-Boson:

Enträtselung der elektro-schwachen Symmetriebrechung mittels Messung von ?

Bestimmung derbeiden Dijetmassen:UnterscheidungWW und ZZ

e+e-WW(ZZ)qqqq

TESLA LEP


Ziel: Rekonstruktion der 4er-Impulse der Quarks

Im Detektor: Spuren und Energiedepositionen

Rekonstruktion von Quarkimpulsen

ZHHqqbbbb

Kinematische Fits oft nicht anwendbar: Beamstr., ISR, , LSPIntrinsische Energieauflösung ist von grosser Bedeutung

Design optimiert für Energie/Teilchenfluss-Algorithmen

Energie/Teilchenfluss-Algorithmus


Energiefluss-Algorithmus

Messung von

Geladene Teilchen in Spurkammer

Photonen im el.-mag. Kalorimeter

Rest (n,K0) im hadron. Kalorimeter

Energie im Jet: 60 % geladene Teilchen:30 % :10 %KL,n

Idee: identifiziere die einzelnen Teilchen, rekonstruiere ihre 4er-Impulse und finde

die Jets=Quarks



4

charged1012

2

4charged252

charged GeV 10GeV 20.0

GeV105

EE

E

GeV 100

GeV 6.0GeV11.0 jet2photon

22photons

EEE

GeV 100

GeV 3.1GeV40.0 jet2neut.had.

22neut.had.s

EEE

Unter der Annahme:

2confusion

2neut.had.

2photons

2charged

2jet

had. neut.photonschargedjet

EEEE

EEEE


„Konfusion“ dominiert

GeV3.0GeV14.0 jet22

confusionjet22

jet EEE

2confusion


Ohne die vernachlässigbaren Fehler auf die Spurimpulse:

2confusion

2neut.had.

2photons

2charged

2jet

had. neut.photonschargedjet

EEEE

EEEE

KL,n

Ideale Rekonstruktion

= Schauerüberlapp, Doppelzählung von p und E für geladene Teilchen, Missidentfikation,…

e

HCAL

ECAL


Reduzierung der “Konfusion”

Trennung der Energiedepositionen

• grosser innerer Radius des ECAL und starkes Magnetfeld Separation der Teilchen x~BL2/(RM D) 1/p

• kleine Strahlungslänge X0 und Moliereradius RMoliere kompakte Schauer, geringer Schauerüberlapp

• hohe laterale Granularität D ~ O(RMoliere) Trennung der Schauer

• kleines X0/had• longitudinale Segmentierung

Granularität wichtiger als Energieauflösung !

Unterscheidung zwischen elektromagnetischen und hadronischen Schauern


Absorbermaterial: Eisen Wolfram

Eisen Wolfram

X0/had = 1/27

RMoliere = 0.9 cm

X0/had = 1/10

RMoliere = 2.1 cm


Kalorimeter : (ein) Konzept

HCAL

ECALHCAL: Stahl + digitale Auslese via RPCs,GEMS,…

Transversale Segmentierung: 1x1 cm2

Longitudinal Segmentierung: 9-12 4.5 – 6.2 had (begrenzt durch Spule)E/E =0.35/E(GeV) 0.03

ECAL: Silizum-Wolfram- Sampling- Kalorimeter

Transversale Segmentatierung:1x1cm2 angepasst an Molierradius

Longitudinale Segmentierung: 40 Lagen (24 X0, 0.9had)

E/E = 0.11/E(GeV) 0.01

Mit diesem Design:E/E = 0.3/E (GeV)

32 cm


Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte

LEP-Detektor

UG

Signal

Messung der Higgsselbstkopplung inZHH qqbbbb

2 2 212 34 56( ) ( ) ( )H H ZDist m m m m m m

TESLA

6 B

S 3 B

S


Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte

Simulation eines 50 GeV im SiW-Kalorimeter0

Photonen separierbar

Richtung der Photonen bestimmbar wegen transversaler und longitudinalerSegmentierung


Rekonstruktion von Photonen

= 68mrad/E(GeV) 8mrad ohne Vertexeinschränkung

Wichtig für z.B.

NeutralinoGravitino+Photon (GMSB-SUSY)

Photonstossparameter d~1cm

OPAL

TESLA


„Vorwärts“-Kalorimeter

LCAL: „Beam diagnostics“ und schnelle Lumi.-Messung (28 to 5 mrad) ~104 e+e— Paare/BX 20 TeV/BX 2MGy/yr Strahlenharte Technologie: SiW, Diamond/W Kalorimeter oder Szintillatorkristalle

LAT: Luminositätsmessung mit Bhabhas (83 to 27 mrad) SiW Sampling Calorimeter

Ziel: L/L ~ 10-4 benötigt = 1.4 rad

L* = 3 m

Aufgabe:

Abschirmung des Untergrundes

hermetisch / Veto


Zusammenfassung: Detektor

Detektordesign wird durch Präzisionsphysik, nicht durch Ereignisrate oder Strahlenhärte bestimmt

Die Anforderungen übertreffen die von LEP/SLD bis Faktor 10 und sind verschieden zu denen am LHC

F&E: großer Profit von Erfahrung für/von LHC, TEVATRON, RHIC, B-Fabriken, HERA,….

Design (fast) unabhängig von Beschleunigertechnologie: supraleitend (TESLA) u. normalleitend (NLC,JLC) weltweite, gemeinsame F&E-Aktivitäten

Design und Rekonstruktionsgüte herrausfordernd F&E braucht Zeit Schon heute beginnen !

3. TESLA-Detektor Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen

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