7. Teilchenidentifikation und Kalorimetrie¶pfner... · 1 7. Teilchenidentifikation und...

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7. Teilchenidentifikation 7. Teilchenidentifikation und und KalorimetrieKalorimetrie

7.1 Grundlagen der Kalorimetrie 7.2 Elektromagnetische Kalorimeter7.3 Hadronische Kalorimeter

Szintillator und Photodetektoren7.4 RICH Detektoren

Maria Maria Laach Laach Vorlesung 04Vorlesung 04

Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 2

Grundprinzip KalorimeterGrundprinzip Kalorimeter• Aufgabe: Teilchenidentifizierung und Energiemessung• Energie wird deponiert und auf niederenergetische (Schauer)Teilchen übertragen• Elektromagnetische (ECAL) und starke WW (HCAL)

• Absorber + sensitives Medium

Ab

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tio

nsm

ater

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Ab

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l

Det

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l

Detektormaterial: Szintillatoren, Halbleiterdetek -toren, Drahtkammern, Flüssigargon, Kristalle

Absorber: „high Z-material“ Eisen, Blei, Uran

• Absorberschichten bestimmen Stärke und Art der Absorption (i.a. HCAL)

• Teil der Energie deponiert in sensitivem Material à Signal

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KenngrößenKenngrößen

Kenngrößen:

Linearität der Energiemessung. Zur Messung des Proportionalitätsfaktors verwendet man Teilchen bekannter Energie (Kalibration).

Response für verschiedene Teilchentypen. Unterschiedliche Wechselwirkungen. Elektromagnetische und hadronische Schauer zeigen unterschiedliches Schauerprofil (lateral, longitudinal).

Energieauflösung. Limitiert durch Fluktuationen im Schauerprozeß und immeßbaren Signal.

Wichtig: I ~ dE/dx

Signal proportional zur deponierten Energie


EnergieauflösungEnergieauflösung• Schauerentwicklung ist ein statistischer Prozess à bessere Auflösung bei hohen

Energien

Eb

Ea

ENE σσ

⊕⊕≅E = Energie einlaufendes Teilchen s = Standardabweichung E-Messung

a = Stochastischer Term b = Konstanter Term (Offset) σN = Noise Term

Typische Werte:

a = 0.5 – 20 % b = 0.5 – 5 % Noise = 150 – 400 MeV

EEσ

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Elektromagnetische SchauerElektromagnetische Schauer= Schauer ausgelößt durch die elektromagnetische WW von Elektronen und Photonen (und π0)

Elektronen/Positronenà BremsstrahlungPhotonen à Paarbildung

• Schauer relativ kurz und kompakt à ECAL meist der kleinere Teil des Kalorimeters aber mit guter Energieauflösung (i.a. homogenes Kalo)

• Elektromagnetische Schauer kollimiertà gute Richtungsmessung m öglich

Longitudinale Ausdehnung abhängig von E0 und X0

Tiefe des Kalorimeters um Schauer vollständig zu absorbieren

Radiale Ausdehnung abhängig von Viel-fachstreuung, Moliere Radius

Granularität

Charakteristisch: Strahlungslänge X0


Kalorimeter TypenKalorimeter Typen• Unterscheidung elektromagn. – hadronischer Schauer • EM-Schauer in kompaktem, hochauflösendem Kalo messen

Geringe Fluktuationen à Präzise Messung. Material mit mittelgroßem Z (Kristalle, Flüssigargon).

• Hadronische Schauer sollten erst im HCAL starten, immer hinter ECALKombination aus Absorber (Blei, Eisen) und sensitivem Material àunabhängige Optimierung von λ / X0 proportional Z

Ab

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l

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l

Absorber-und Detektor-Material in einem

Homogen (ECAL) „Sampling“ (HCAL)

Kalorimeter Typen

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SchauerprofilSchauerprofil• dE / dx = f (Schauertiefe)• Lage des Schauermaximums logarithmisch abhängig von Ursprungsenergie E0

und Z (Teilchenmultiplikation stoppt früher bei leichten Elementen)

• Radiale Ausdehnung RàMoliere Radius (Materialeigenschaft) ρM

ρM = (21 MeV / EC) X0 ~ 7 A / Z [g cm-2]

2 ρM = R

CEE

Xx

et 0

0max ln)( ≈=

„High Z“ „Low

Z“

00

197;1

1Vorlesungaus

XE

XdxdE

Paar

Brems

⋅≈∝− µ

1.25

1.36

6.51

8.25

-

ρM [cm]

1.7626Eisen

0.5682Blei

14.018Argon

42.4-Polystyrene

300007.3Luft

X0/ρ [cm] ZMaterial


= Schauer von Hadronen durch starke WW. Hadronen vollständig absorbiert.• Viele Sekundärteilchen Multiplizität ~ ln E• Starke Fluktuationen im Profil• Komplizierte Simulationen. Experimentell bestimmte Größen passen gut.

HadronischeHadronische SchauerSchauer

hadxEL λ/ln 0≈

hadR λ∝

7.0ln2.0)( 0max

max +⋅≈= Exhadthadλ

16.826Eisen

17.182Blei

83.718Argon

79.5-Polystyrene

λ had [cm] ZMaterial

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EreignisbilderEreignisbilder

CDF

CDF

Lego plot zur Sicht-barmachung der Energie





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Physikalische HerausforderungPhysikalische Herausforderung

Erwartetes Signal von Hà γ γ für mH = 120 GeV, 10 fb-1

...erfordert• Gute 2-Photonen Massenauflösung

• Winkelauflösung• Unterdrückung von π0

• Hermetische Abdeckung in η

Eb

Ea

ENE σσ ⊕⊕≅

Schwaches Signal

CMS


Homogene ECALHomogene ECAL• ECAL sind oft homogene Kalorimeter

∆E/E (Homogen) ~ 1%, ∆E/E (Sampling) ~ 10%• Materialien:

Kristalle oder flüssige Edelgase

NA48Flüssigkrypton

H1, ATLASFlüssigargon

CMS, ALICEPbWO4

L3 KalorimeterBGO (Bi4Ge3O16)

BaBar, BELLECsI

Praktikum, KernphysikNaI

AnwendungsbeispieleKristalle/Material

OPALPb-Glass Kalorimeter

OPAL

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Anorganische KristalleAnorganische Kristalle

Prinzip:

• Durchlaufendes Teilchen regt Exzitonen an, die durch Kristall wandern bis zum Einfang

• Abgabe der Energie durch Lumineszenz Photon (3eV àλ~400 nm)

• Material transparent

• Abklingzeit ~230 ns C.Niebuhr

Kristall Photondetektor

Szintillations -Licht wird mit Photondetektoren nach-gewiesen


Anspruchsvolle KristalleAnspruchsvolle Kristalle….….

Herausforderungen:Kristallgröße

1 cm

Monitoring der Transmission (Strahlenschäden)

•Vor dem Einbau

•Während des Betriebes durch LEDs

Temperatur konstant auf 0.1 K, Lichtausbeute stark T-abhängig

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ParameterParameter BarrelBarrel EndcapsEndcapscoverage |η | <1.48 1.48<|η | <3.0∆η x ∆Φ 0.0175 x 0.0175 0.021x0.021 to 0.05x0.05depth in X0 25.8 23No. crystals 61200 15632Modularity 36 Supermodules 4 Dees

Aufbau eines KalorimetersAufbau eines Kalorimeters

75000 Kristalle

CMS

][2.0

005.0][

01.0GeVEGeVEE

E ⊕⊕≅σ


ALICE PbWOALICE PbWO44 ECALECAL

PbW04 KristallX0 < 0.9 cm

ALICE

ALICE KalorimeterNA48

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AusleseAusleseAuslese des schwachen Signals mit B-unempfindlichen Detektoren

Energie Licht Strom

àLicht à Strom à Signal Mögliche Detektoren

•APD

•PMT

•Prox.focused HPD


BeispielBeispiel: ECAL : ECAL KalibrationKalibration

1. Testbeam: Very precise (∆E/E<0.1 %) for a small sample (~1/4) Extrapolation to CMS, target value of 2% precision

2. Lab measurements during productionIntercalibration precision ~4.5%

3. Fast calibration with min.biasevents use phi symmetry of deposited energy to intercalibrate crystals within rings of constant eta

4. Z à e+ e-for final precision

ECAL Barrel

Inte

rcal

ibra

tion

Pre

cisi

on w

ith M

B e

vts

1.5 Mio. events

# crystals = 97

Mean = 0.0148

RMS = 0.0457

Chi2/ndf=7.47/14

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

4

2

0

No.

ent

ries

Difference in rel. light yield

CMS

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Flüssige EdelgaseFlüssige Edelgase• Mögliche Edelgase: Krypton (NA48), Argon (ATLAS, H1, ICARUS), Xenon

• Als homogenes Kalorimeter, Nachteil lange Ladungssammelzeit. Anwendung in ICARUS (Neutrino Experiment).

• Sampling Kalorimeter, günstig ist Akkordeon Geometrie (RD3) mit Vorteilen:– Kurze Ladungssammelzeit erlaubt Einsatz bei hohen Raten– Geringe Kapazität der Ausleseelektroden– Vorverstärker wird direkt mit Elektroden verbunden– Keine toten Zonen– Verschiedene Segmentierung möglich

Auslese-elektronik


ATLAS FlüssigATLAS Flüssig--Argon ECAL Argon ECAL Mainz, MPI München

][4.0

01.0][

1.0GeVEGeVEE

E ⊕⊕≅σ

Auflösung ECAL

• EM |η|<3.2 Füssig-Argon in Akkordeon Geometrie

• 2 x 105 Kanäle • Preshower bis |η|<1.8

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Beiträge zur EnergieauflösungBeiträge zur Energieauflösung

Im idealen, homogenen Schauerzähler:• Fluktuationen der Teilchenzahl im Schauer• Longitudinale E-verluste kritischer als Transversale

(Bsp. „Tailcatcher“)• Zu frühes Aufschauern • Statistische Schwankungen der Anzahl der

Photoelektronen

Zusätzliche Beiträge im Sampling Kalorimeter:

• Sampling Effekt• Effektive Weglänge im aktiven Material ändert sich

mit Winkel der Schauerachse• Wenn aktives Medium = Gas, zusätzlich

Fluktuationen der Ionisation im Gas

Ab

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l

LowE High

E

LowE High

E





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Erforderliche AuflösungErforderliche AuflösungHCAL Anforderungen:

Vollständige Absorption hochenergetischer Jets à KalorimetertiefeMessung Jetrichtung und Separation von Jets à Transversale Granularität

Messung mehrerer Jets à Vollständige Abdeckung

Hermetizität für Messung ETmiss (ν, SUSY)

%4%10 ⊕≅EE

EσWichtig: Nachweis von TeV Jets!

CMS


NachweisNachweis EETTmissmiss

D0

eeW ν→

ν

We

Hermetizität

Volle Abdeckung

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HCAL = HCAL = SamplingSampling KalorimeternKalorimetern

cmhad

had

17~)Fe(

cm80~Scint)(

λ

λ

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l

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l

Det

ekto

rmat

eria

l

Nur deponierte Energie im Detektormaterial ausgelesen à Fluktuationen + Statistik der Schauerentwicklung K.Kleinknecht


Flüssigargon + Absorber Flüssigargon + Absorber Mainz, MPI München• ATLAS Endkappen und bei

größeren η ‚Sampling‘ Technology als Flüssig-Argon (4 mm) zwischen Kupferplatten

Endkappen-Detektor

•In stark-Vorwärtsrichtung Argon mit Bleistab-Matrix

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SzintillatorSzintillator + Absorber+ AbsorberATLAS / CMS:ATLAS / CMS: Sampling Kalorimeter aus

Messing mit aktiven Szintillator-schichten mit PMT Auslese


Szintillator Szintillator + Fasern+ Fasern

Szintillator Photondetektor

außerhalb B-Feld& Strahlung

• Einfangeffizienz von Photonen in Fasern ~%

• Fasern wirken als Lichtleiter und als Wellenlängenschieber

• Abklinglänge in Fasern berücksichtigen

• Anpassung der Wellenlänge an Photokathode

WLS-Faser

Licht-leiter

dwu

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Auslese mit PhotondetektorenAuslese mit PhotondetektorenATLAS H1

• Spektrale Abhängigkeit der Photocathode berücksichtigen

• Auslese mit „Wavelength-Shifting Fibres “ (WLS) (typisch 1mm) verschiebt λ=410-425nmà λ=490nm

Hamamatsu


VielkanalVielkanal--PhotomultiplierPhotomultiplier

• Segmentierung der Photocathode

• MikrochannelplateHamamatsu

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HHybrid ybrid PPhotohoto--DDiode (HPD)iode (HPD)Prinzip: Kombination aus PM und Siliziumdetektor

Extrem gute Pulshöhen-auflösung erlaubt Nachweis einzelner Photonen

Rückstreuung von Si-Oberfläche

51056.3

20Gain ⋅≈=∆=eV

keVW

VeGSi

DEP


AAvalanchevalanche PPhotohoto--DDiode (APD) iode (APD) Prinzip: Halbleiterdetektor. Hohes elektrisches Feld führt zu Lawinenbildung

(Verstärkung)

C.Niebuhr

Hamamatsu

53 1010 −≅G

+ Sehr hohe Quantenffizienz 0.6-0.8 (Photocathode ~0.1)

- Starke Schwankungen in der Produktionsqualität

- Noch relativ kleine Dimensionen2 cm

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SpinSpin--Off von Off von SzintillatorenSzintillatoren

Luminex

Luminex





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Cherenkov StrahlungCherenkov Strahlung

p = γβm0

m0 = rest mass mπ = 139 MeVmK = 494 MeV

mp = 938 MeVme = 0.5 MeV

γ = 1/sqrt (1-β2)

No. of detected photons:

•Index of refraction•Traversed material•Photon detection eff. (λ-dependence of PC, reflection from potential mirrors, scattering)

Hera-B


K/K/ππ TrennungTrennung imim LHCbLHCb RICHRICH

• Zwei RICH Detektoren

• Akzeptanzen:

– 300 mrad RICH 1

– 120 mrad RICH 2 • Radiator Material:

Aerogel C4F10 CF4

BBdd →→ ππ−− ππ++

LHCb

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LHCLHC--b b –– Ein dediziertes BEin dediziertes B--ExperimentExperimentFixed Target Geometrie, 1-armiges Vorwärtsspektrometer40 MHz, reduzierte Luminosität L = 2 x 1032 cm -2 s -1

Bd, Bs, Bc Mesonen und b-Baryonenà kurzlebig

Ereignisselektion:Ereignisselektion:40 MHz à 1.1 MHz à 40 kHz

Level-0 Level-1

Lev-0 : e, µ , h mit hohem pT

Lev-1 :

• Sekundärvertex

• Mind.1 Spur mit großem pT aus TT-Station (geringes B-Feld, Si)

• K/π Trennung


SuperKamiokande CherenkovSuperKamiokande Cherenkov--DetektorDetektor

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Signature Signature

νe

e

http://www.pc.uci .edu/~tomba/sk/tscan/solar


ZusammenfassungZusammenfassung

• Identifizierung und Energiemessung von Elektronen, Photonen, Hadronen und Neutrinos im ECAL + HCAL

• ECAL 1%, HCAL 10% Energieauflösung Longitudinale Schauerverluste (Heraus-lecken) möglichst vermeiden

• Homogene oder „Sampling“ Kalorimeter, Materialien: Kristalle, Szintillator, flüssige Edelgase

• Signale aus Szintillator & Kristallen wird ausgelesen mit Photon-detektoren, z.T. im Magnetfeld

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AusblickAusblick

?Higgs

SUSY

Detektoren erfüllen die physikalischen Anforderungen

Wenn Higgs und SUSY existieren, sollten sie am LHC gefunden werden!

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