Der BaBarDetektor - Welcome to HERA-B · Der BaBarDetektor Referat im Rahmen der Vorlesung...
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Der BaBarDetektorReferat im Rahmen der Vorlesung
„Detektoren in der Elementarteilchenphysik“
Eike Middell
Inhalt
● physikalisches Programm● Aufbau des Detektors
– Anforderungen an das Design– konkrete Umsetzung
● Trigger● Datenauswertung● Vergleich mit dem Konkurrenzexperiment Belle
● CPAsymmetrie in Zerfällen der neutralen BMesonen
● Überprüfung der Unitarität der CKMMatrix– sensitive Messung des CKMMatrixelements– Messung von und
● Vermessung seltener BZerfälle● Präzisionsmessung am Standardmodell
physikalisches Programm
V ub
sin 2 cos2
● CP vertauscht Teilchen und Antiteilchen und dreht Impuls und Helizität um → jede Kombination aus Feldern und Ableitungen im Lagrangian geht in ihre hermitesch konjugierte über
● Schwache WW: schwache EZ d',s',b' und MassenEZ d,s,b sind nicht identisch sondern Mischung tritt auf
● Mischung beschrieben durch komplexe, unitäre CKMMatrix (CabiboKobayashiMaskawa)
CPAsymmetrie
● CKMElemente → komplex konjugiert → sofern entstehende Phase nicht wegtransformierbar → CPVerletzung
● B0 und AntiB0 zerfallen beide in AntiD0 und K0short
● Unterschiedliche Kopplung des W an Quark und Antiquark →unterschiedliche Lebensdauern
CPAsymmetrie im B0AntiB0System
Zerfallskanäle des B0
● B0 kann in eine Vielzahl von Kanälen zerfallen● BR für Endzustände, die rekonstruierbar sind,sehr klein:
Bsp.: B0 J/ → + K0
B0 → + etwa 105
● wenn ~100 rekonstruierte Events für einen 10% Fehler reichen, dann müssen ~107 BAntiBPaare erzeugen
Anforderung an das Design
● e+eCollider an der (4s)Resonanz 10.58GeV● Endzustände vollständig rekonstruierbar Flavour→
Tagging● geplante hohe Luminosität: ~3∙1033cm2s1
vgl.: LEP: 1.5∙1031cm2s1, LHC: ~1034cm2s1
● Zeitmessung des B0Zerfalls erfolgt über →Längenmessung der Spur
● Boost verlängert diese Spur asymmetrisches Design→
Beispiel für Zerfall & Tagging
b c sB0
B0
K
b c s K+ b c
lν
B0
+
b c
lν
B0
Kaonen:
Leptonen:
c s
lν
aber:
D K x0 cu 53 %
D K x0d 24 %
K x+ 3 %c
K x 6 %+
PEPII● zwei Speicherringe:● HER: e mit 9 GeV● LER: e+ mit 3.1 GeV● 1658 Pakete● je 2.1∙1010 Elektronen● 4.2 ns Abstand
BaBarSilicon Vertex Tracker
(SVT)
Drift Chamber(DCH)
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
(DIRC)
CaesiumIodide EM Calorimeter(EMC)
Instrumented Flux Return(IFR)
SupraleitendeSpule 1.5T
Silicon Vertex Detector
● je 20 cm vom IP liegen Permanentdipolmagneten● Einschränkung des Polarwinkels 17.2°<<150°
Silicon Vertex Detector● 340 SiDetektoren, ~1m2 Fläche, 150.000 Kanäle
● besteht aus 5 konzentrischen zylindrischen Lagen doppelseitiger SiliziumDetektoren
● jede Lage ist azimutal in Module unterteilt
● 3 innere Lagen : 6 Module ; barrelstructure
● 2 äußere Lagen: 16 &18 Module; gebogen
● jedes Modul unterteilt in Vorwärts und Rückwärtsmodul
Silicon Vertex Detector● a & bTypen mit unterschiedlichen Radii
ermöglicht Überlappung
● Innenseite hat Streifen senkrecht zur Strahlachse zMessung→
● Außenseite hat Streifen parallel zur Strahlachse → Messung
● Auslesen erfolgt außerhalb der aktiven Zone Streifen über flexible Kabel mit AToM→
Chip verbunden
Silicon Vertex DetectorAToMChip
(A Time over threshold Machine)
● 128 Kanäle pro Chip
● Prinzip: Zeitintervall bis Ladungsschwellenwert überschritten ist ist ungefähr log. abhängig von der Gesamtladung im Streifen
● Digitalisieriung der TOTZeit
● buffering während L1 läuft (12µs)
● log. schränkt Wertebereich ein →weniger Bits
● frühe Dig. spart Geld,Strom,Platz
Silicon Vertex Detector
● z < 130 µm● Vertexauflösung < 80 µm● kann für sich allein auch Spuren mit geringem
Transversalimpuls tracken
BaBarSilicon Vertex Tracker
(SVT)
Drift Chamber(DCH)
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
(DIRC)
CaesiumIodide EM Calorimeter(EMC)
Instrumented Flux Return(IFR)
SupraleitendeSpule 1.5T
Drift Chamber
● Tracking, PID über dE/dx
● Driftzellen: 10 Superlayer je 4 Lagen40 Raumzeitpunkte pro Spur→
● sehr effizient für pT>100MeV/c
● Auflösung < 140 µm
● axiale (A) und Stereosuperlayer(U,V) alternieren
● Signaldrähte 1960V
● feldformende Drähte zwischen den SL 340 V
● HeliumIsobutanGemisch (80:20)
Drift Chamber● Strahlrohr und Innenwand der DCH aus Berillium (große Strahlungslänge)
● Endkappen aus Aluminium, Ausleseelektronik nur auf Rückseite
BaBarSilicon Vertex Tracker
(SVT)
Drift Chamber(DCH)
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
(DIRC)
CaesiumIodide EM Calorimeter(EMC)
Instrumented Flux Return(IFR)
SupraleitendeSpule 1.5T
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
● PID, insbesondere Kaonen Tagging→
● zu unterscheiden:B0 K + →
B0 → +
● DCH leistet /KSeparation nur bis p=700MeV/c
● brauchen noch Bereich 0.74.2 GeV/c
● bevorzugt in Vorwärtsrichtung
● liegt zwischen DCH und EMC dünn und gleichförmig (in X0)→
● je größer DCH+DIRC desto größer EMC wird schnell teuer→
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
● Idee: leite CherenkovLicht in Lichtleitern aus dem Detektor zu PMTs
● 12 Radiatoren (8cm dicke Quartzstäbe) als CherenkovMedium & Lichtleiter
● totale innere Reflexion: winkelerhaltend
● in Vorwärtsrichtung: Spiegel
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
● am Ende leite das Licht über „wedge“ in einen Wassertank
● wedge: reflektiert große Winkel in Richtung Strahlachse spart PMTs→
● Wassertank: erlaubt Vergrößerung des CherenkovRings
● Nachweis der ChRinge mit etwa 11.000 PMTs auf einer torusförmigen Wand
● besonders effektiv für steile Winkel mehr →Photonen im Radiator passt gut zum →asymmetrischen Design
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
● /KSeparation besser als 2 für p > 0.7GeV/c
● jedoch auf die Spurrekonstruktion in der DCH angwiesen um den genauen Eintrittspunkt und winkel zu erhalten
● Vorwärtsrichtung bevorzugt
● StandOff Box gut hinter dem Detektor gelegen:
– stört Vorwärtsrichtung nicht
– PMTs müssen vom Magnetfeld abgeschirmt sein
BaBarSilicon Vertex Tracker
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Drift Chamber(DCH)
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
(DIRC)
CaesiumIodide EM Calorimeter(EMC)
Instrumented Flux Return(IFR)
SupraleitendeSpule 1.5T
CaesiumIodide EM Calorimeter
● Szintillationskalorimeter aus 6580 CsIKristallen mit Thaliumiodid dotiert
● 1617.5 Strahlungslängen dick
● Auslese mit je 2 unabhängigen 2cm2 Photodioden (PMT wegen BFeld nicht möglich)
● Verstärkung kurz hinter dem Kristall Führung der Leitungen an die →rückwärtige Platte nochmal verstärkt und digitalisiert→
● min. detektierbare Energie: 1020MeV
CaesiumIodide EM Calorimeter
● Kalibration: wöchentlich um die sinkende Lichtausbeute durch Strahlungsschäden zu erkennen
● Ladungsinjektion in die Elektronik
● Lichtpulse
● rotierende Strahlungsquelle
● weitere Stützpunkte bei Datennahme (insb. BhabhaStreuung)
BaBarSilicon Vertex Tracker
(SVT)
Drift Chamber(DCH)
Detector of Internally Reflected Cherenkov light
(DIRC)
CaesiumIodide EM Calorimeter(EMC)
Instrumented Flux Return(IFR)
SupraleitendeSpule 1.5T
Instrumented Flux Return
● PID für Myonen und neutrale Hadronen
● besteht aus 900 Resistive Plate Chambers
● untergebracht zwischen den Eisenplatten, die den Flux Return für den Magneten bieten + zwei Endkappen
● mit zunehmendem radialen Abstand steigt der Abstand zwischen den RPC (Eisenplatten werden dicker)
– Grund: MC hat ergeben, Myonid. bei niedrigen p und K0LDetektion
verbessern sich wenn die Eisenschichten dünn
– nur für innere Bereiche wichtig; spätere Lagen können umso dicker sein hält Anzahl Eisenplatten gering→
● inzwischen nicht mehr sehr Effizient Proposal 2002 die RPCs durch →Limited Streamer Tubes zu ersetzen
Trigger
● Level 1 Hardware Trigger (12.8 µs um über Auslese zu entscheiden)
– Zerlegung des Detektorzustands in „Objekte“
– Reduktion auf 2 kHz● Level 3 Software Trigger (OnlineFarm, selektiert Events)
– Reduktion auf 100Hz
L1 Trigger● DCH track trigger (DCT)
– Aufteilung der DCH in 2/32 Bins
– Track Segment Finder
– Binary Link Tracker (identifiziert kurze(B) und lange (A) tracks)
– PT Discriminator (findet Tracks mit hohem pT)
● EMC energy trigger (EMT)
– teilt das EMT in 2/40 Bins
– M,G,E: cluster mit steigender Energie
– X: cluster in vorderer Endkappe
– Y: cluster im rückwärtigen Teil des barrels
L1 Trigger● IFR Myon Trigger (IFT)
– u.a. Veto gegen kosmische Strahlung● Global Trigger
– erhält die Karten mit TriggerObjektenvon DCT und EMT
– zählt Objekte, einfache geom. Cuts (Rücken an Rücken...)
– Objektkombinationen werden mit vordefinierten Mustern verglichen
L3 Trigger
● 32 Sun Ultra 5 work stations
● einfacher 3dtrack fit
● zusätzlich zu L1: Polarwinkel, Spurbeginn
● Filter um Ereignisse in Kategorien zu sortieren
– Energiesummen
– Clusteranzahl
– Ursprung der Spur im IP
– BhabhaFilter um Ereignisse für die Kalibration zu sammeln
Auswertung / Tracking● findet in SVT und DCH statt
● Auffinden von geladenen Spuren startet in DCH
● Eventzeit von L3 muß verbessert werden Parameterfit (d0, phi0, t0) an 4→HitSpursegmenten in DCHSuperlayern
● diese Parameter+Hits des L3Trackfits Versuch eines Helixfits Spur → →wird behalten wenn der Fit erfolgreich ist
● haben nun „bessere“ Spur Versuchen weitere Hits in ihrer Nähe mit ihr zu →assoziieren
● mehr Hits mehr Zeitkoordinaten Verfeinerung von t0→ →
● restliche nicht zugeordnete DCHHits: Versuch Tracks mit niedrigem pT zu bilden (durchdringen nicht alle 10 SL)
● danach:KalmanFilter der die Materialverteilung der DCH und die Form des BFeldes berücksichtig
Auswertung / Tracking● Projektion der gewonnenen Spuren in den SVT
● Streifenhits werden für Assoziierung in Erwägung gezogen, sofern deren Position in den Fehlergrenzen der Pro jektion liegt
● wenn verschiedene Zuordnungen möglich → 2Minimierung
● nach erfolgreicher Zuordnung nochmaliger KalmanFilter über alle Hits→
● häufig Streuung and der Supporttube übrig gebliebene SVTonlyhits →werden mit DHConlyhits assoziiert
– wenn anschließender Fit gelingt verbinde beide Spuren→
– wenn nicht behalte zwei separate Spuren→
● letzendlich: Einfluß der Teilchenart auf die SpurFit mit 5 Hypothesen für verschieden schwere, stabile Teilchen
Auswertung / Tracking
● langsame Teilchen (pT = 50120 MeV/c) dringen nicht bis in DHC vor alleiniges Tracking in dem SVT→
● 2 Algorithmen
– versuche einfach die Positionen der Hits miteinander zu verbinden gut für wenig Hits und großen Parameterbereich→
– forme Kreisbahnen mit den Hits; nimm zHits dazu um Helices zu bilden
kommt schlecht mit wilden Kombinationen und Moduldefekten klar→ Einsatz um die vom 1. Algorithmus übersehenen Spuren zu finden →
Vgl. Babar & Belle
● beides asymmetrische BFabriken an der (4s)ResonanzBaBar Belle
E(e) 9 GeV 8 GeVE(e+) 3.1 GeV 3.5 GeVLuminositätKoll.Mitglieder 650 300Anfang der Datennahme 05/99? 06/99
4.513∙1033/cm²s 5.495∙1033/cm²s
Literatur
● P.F. Harrison, H.R. Quinn The BaBar Physics Book● The first year of the BaBar Experiment experiment at PEPII (hep
ex/0012042)● Claudio Campagnari – The BaBar Silicon Vertex Tracker (SVT)
(http://hep.ucsb.edu/people/claudio/Vancouver.pdf)● N. Gunawardane A measurement of neutral B meson mixing using
dileption events with the BaBar Detector