Detektor für TESLAMarkus Schumacher, Universität Bonn

• Anforderungen

• Konzepte

• Entwicklungen

Physikalische Fragestellungen

Beschleuniger mit hoher Luminosität

Detektor für Präzisionsmessungen

Präzisionsuntersuchungen

des Higgs-Sektors

des SUSY-Teilchen-Spektrums

der Struktur der Raum-Zeit

von „alternativen“ Theorien

des „bekannten“ Standardmodells (speziell top-Quark und W-Boson)•ZHH

Selektion von seltenen Prozessen ( = 0.3 fb für ZHH)

Genaue Rekonstruktion der Vierer-Impulse von Leptonen, Photonen, Jets und Fehlender Energie

Der TESLA e+e--Linear-Beschleuniger

Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s

Zeit zw. Kollisionen: 337 ns

EreignisratenLuminosität: 3.4x1034 cm-2 s-1 (6000xLEP)e+e-qq 330/h e+e-WW 930/h e+e-tt 70/h e+e-HX 17/h

e+e-qq 0.1 /Traine+e-X 200 /Train

„Untergrund“: 600 Treffer/BX im Vertexdet. 6 Spuren/BX in TPC

Weitere Optionen: , e, e+e-, ep (THERA), eN

Schwerpunktsenergie 90 GeV bis 800++ GeV

950 µs 199 ms 950 µs

2820 bunches

Anforderungen an den Detektor

Präzisionsmessungen bei ECM von 90 bis 800 GeV

Impuls: (1/p) = 7 x 10-5/GeV (1/10 x LEP) Stossparameter: d = 5 m 10 m/p(GeV) (1/ 3 x SLD) Jetenergie : E/E = 0.3/E(GeV) (1/ 2 x LEP) hermetisch bis zu: 5 mrad

komplexe Endzustände: 8 Jets oder mehr höhere Spurdichten und höhere Energiedepositionen als bei LEP

Zeitstruktur der Kollisionen und Untergrund von Beamstrahlung Auslesegeschwindigkeit / Granularität

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

Design durch Präzisionsphysik bestimmt, nicht durch Strahlenhärte und Ereignisrate

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 4 Tesla

Grosse gasgefüllte zentrale Spurkammer

Präzisionsvertexdetektor

Beamstrahlung und Maske

6x1010/BX 140000 e+e-/BX + Sekundärteilchen (n,)

Unterdrückung benötigt

a) Photonen entlang Strahlröhre

b) Starkes Magnetfeld: meiste e+e-

kollimiert auf kleine Radien

c) Spezielle Abschirmung: instrumentierte Maske

dennoch:

VTX1: 0.03 Treffer/mm2/BX

TPC: 6 Spuren, 1400 ,1500n/BX

Kalorimeter: 1200 e+e-/BX 8000n/BX E=12GeV/BX

Forschungs- und Entwicklungsarbeit F&E

Anforderungen verschieden zu LHC Detektoren

Grössere Granularität: el.-mag. Kalorimeter: 1/200 LHC Vertexdetektor-Pixelgrösse:1/30 LHC

Dünnere Detektoren: Pixellagen: 1/30 x LHC Spurdetektor: 1/6 x LHC

Höhere Auflösung: Spurauflösung bis 1/10 x LHC

Andere Technologien, da geringere Ereignisrate u. Strahlenbelastung

Aber oft profitieren von F&E für LHC (speziell Elektronik)

Anforderungen (fast) unabhängig von Beschleunigertechnologie: supraleitend (TESLA) u. normalleitend (NLC,JLC)

weltweite, gemeinsame F&E-Aktivitäten

F&E braucht Zeit Schon heute beginnen !

Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor

Macht Higgs Masse ? gHff~mf

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

Effiziente u. reine ID mittels

Sekundär-, Tertiärvertices mit allen Spuren M, /, Q

Präzise Messung des Stossparameters do

do

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

d= a b/p

Ziel: m m

.

Vertexdetektor: Konzept

Pixeldetektor mit 5 Lagen

kleiner R1: 15 mm (1/2 SLD)

Grösse: 20x20m2, Punkt = 3 m

Dicke: 20m=0.1 %X0/Lage

800 Millionen Auslesekanäle

Trefferdichte: 0.03 /mm2 /BX bei R=15mm Pixelsensoren

Auslese an beiden Leiterenden in Lage 1: Taktfrequenz 50 MHz, 2500 Pixelreihen komplette Auslesezeit: 50s ~ 150BX

<1% aller Pixel mit Treffer Kein Problem für Spurerkennung erwartet

Vertexdetektor: TechnologieoptionenEtablierte Technologieoption: CCDs

Exzellente Erfahrung von SLD (300 Millionen Kanäle)

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

LCFI Kollaboration: Bristol, Glasgow, Lancaster,

Liverpool, Oxford, RAL

„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

intrinsisch strahlenhärter ???

Fragen wie oben + Herstellung + Betrieb von grossen Pixelmatrizen

Ste

ueru

ng

Auslese

Auslese

Vertexdetektor: TechnologieoptionenMonolithtic Activ Pixel Sensors (IReS,LEPSI,RAL,Liverpoool,

Glasgow,Geneva,NIKHEF)

Depleted Field Effect Transistor (Bonn, Mannheim, MPI HLL München)

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

M

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

1.Lage bei 1.5 cm wichtig !! Reinheit Effizienz b/b: 80% 80%c/c: 90% 35%

--

•LEP-c

Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte

Messung von Hxx

Mit Genauigkeit von

2.4 % für bb

8.3 % für cc

5.5 % für gg

Präzision erlaubt Diskriminierung

zwischen SM und MSSM bis

zu MA = 1 TeV auf 1Niveau

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)

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

Gasgefüllter oder Silizium Spurdetektor?

gasgefüllt Silizium

Menschliches Auge bevorzugt „links“

für Spurerkennung

Warum eine TPC ?

•Viele 3-dim. Spurpunkte robuste u. effiziente Spurerkennung auch bei hoher Spurdichte

•Minimierung des Materials geringer Einfluss auf Kalorimetrie, wenig Vielfachstreung

•Teilchenidentifikation durch Messung von dE/dx

•Spurnachweis bis zu grossen Radien (0.4 bis 1.6 m)

dE/dx: neue geladene stabile langlebige Teilchen

Erkennung von „Knickspuren“ Smuon Muon + Gravitino

Design der TPC

Viele Spurpunkte: 240

Punktauflösung: = 150 m

Gr. Hebelarm: RI/A = 40/160 cm

Wenig Material : 3% X0

TPC: (1/p) = 2.0 x 10-4 GeV-1 +VTX: (1/p) = 0.7 x 10-4 GeV-1

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

Auslesezeit 50 s = 160 BX

80000 Treffer in TPC

8x108 Auslesezellen (1.2MPads+20MHz)

0.1% aller Auslesezellen getroffen

Kein Problem für die Spurrekonstruktion

Technologien für Gasverstärkung

Alternativen: F&E für 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

F&E: Zeitstabilität und Uniformität der Verstärkung im Magnetfeld, Ionenrückfluss, Gating, Effekt von Raumladungen, Gas, Padstrukturen, Dünne der Endplatten u. Elektronik? Aachen, LBNL, Carleton, Montreal, Victoria, DESY/Hamburg, Karlsruhe, Krakau, MIT, MPI-München, NIKHEF, Novosibirsk, Orsay, Saclay, Rostock

Lawine in GEM-Folie Kaskadierung möglich

Lawine zwischen Gitter und Pads

Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 %

Spurdetektoren: Rekonstruktionsgüte

MH = 50 MeV, =0.03M/M = 0.3%

(1/p) = 5 x 10-5/GeV bei 900 ,Spurrekonstruktion: =98.4%

Auflösungen bei 7o: = 0.025 mrad , (1/p) = 3 x 10-4/GeV

~~

Jetenergieauflösung: Kalorimetrie

Ziel: E/E = 0.3/E(GeV)

LEP-Detektor

Ist elektroschwache Symmetrie spontan gebrochen?

UG

Signal

LEP-Detektor: E/E = 0.6(1+|cosJet)/E(GeV ) Signifikanz = 3

Rekonstruktion des Higgs-Potenzials via Messung von inZHH qqbbbb

Partonimpulse: Kalorimetrie

•Detektor: Spuren u. Energiedepositionen

•Energieflussalgorithmus: 4er-Impulse der Teilchen

•Bildung der Jets = 4er-Impulse der Quarks

ZHHqqbbbb

Kinematische Fits oft nicht anwendbar wegen Beamstrahlung, ISR und fehlender Energie: , LSPs

exzellente Kalorimetrie

Kalorimetrie: Jetenergieauflösung

EJET = 60% X+/- + 30% +10% n,K0

„Energiefluss“ Technik: Messung von

Geladene Teilchen in Spurkammer Photonen im el.-mag. Kalorimeter Rest (n,K0) im hadron. Kalorimeter

Idealfall: E/E = 0.15/E (GeV) für perfekte ID und kein Schauerüberlapp

Trennung und ID der einzelnen Teilchen:

•X0, Rmoliere klein: kompakte Schauer

•X0 / had klein: Separation von el.-mag. und hadronischen Schauern

laterale u. longitudinale Segmentierung

Granularität wichtiger als E-Auflösung

HCAL

ECAL e

K,n

Kalorimeter: Konzept

ECAL: Silizium-Wolfram-KalorimeterWolfram ideal: X0 /had = 1/25, Rmoliere~9mm

Segmentierung: lateral 1cmx1cm longitudinal: 40 Lagen (24 X0, 0.9had)

Auflösung: E/E =0.11/E(GeV) 0.01 = 0.063/E(GeV) 0.024mrad

HCAL

ECAL

I)Tile HCALRostfreier Stahl + Szinitillator Segmentierung: lateral 52 bis 252 cm2

longitudinal: 9 bis 12 4.5 bis 6.2 had

II) Digitales HCAL Rostfreier Stahl + Digitale Trefferauslese via RPCs, Drahtkammern, GEMs,...Segmentierung: lateral 1x1 cm2 longitudinal: wie bei TILE Auflösung: E/E =0.4/E(GeV) 0.05

Kalorimeter: F&E

In internationaler CALICE Kollaboration (26 Inst., 9 Länder)

ECAL: Produktion und Qualitätskontrolle von W-Platten, Design von Si-Sensoren, Ausleseelektronik u. DetektormechanikHCAL: Optimierung der Zellgrössen, Mechanik TILE: Signalausbeute (Lichtleiter, photosensitive Detektoren) DIGITAL: Auslesetechnologie, -elektronik

Gemeinsames Auflösungsvermögen, RekonstruktionsgüteSoftware-Entwicklung: EnergieflussalgorithmenTeststrahluntersuchung mit kombinierten ECAL+HCAL-Modulen

hermetisch bis zu 5 mrad:

Low Angle Tagger (LAT): 83 bis 27 mrad Silizium-Wolfram (Si-W)

Lumi. Kalorimeter (LCAL): 28 bis 5 mrad Diamant-W, Si-W, PbWO-Kristalle

Strahlenbelastung: 2 MGy pro Jahr F&E: Cracow,Tel Aviv, Minsk, Prag,Colorado, Protvino,UCL London, Dubna, DESY

Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte

Granularität des ECAL: = 68mrad/E(GeV) 8mrad ohne Vertexeinschränkung

z.B.: NeutralinoGravitino+Photon

Photonstossparameter d~1cm

= 22%

Dist=((MH- M12)2+ (Mz- M34)2 + (MH- M56)2)1/2ZHH qq bb bb

Jetenergie:E/E = 0.3/E (GeV)

SignifikanzSig./UG=6

OPAL

Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte

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

Falls kein Higgs:

Enträtselung der elektro-schwachen Symmetriebrechung mittels Messung von ?

Bestimmung derbeiden Dijetmassen:UnterscheidungWW und ZZ

e+e-WW(ZZ)qqqq

Zusammenfassung

Präzisionsphysik bestimmt das Detektordesign

Anforderungen „anders“ als bei LHC (und LEP)

Jetzt F&E für neue Technologien

Das Physikpotenzial bei TESLA ist herausragend, die Anforderungen an den Detektor herausfordernd

Parallelvorträge zu Detektor F&E:

Vertexdetektor: 103.2, 103.7, 106.5, 403.4, 603.6, 603.8

TPC: 107.1, 205.6, 407.1 bis 7

Kalorimeter: 607.1, 607.2 -Option:107.6, 107.7

Weitere Informationen unter:

http://www.desy.de/~schreibr/ecfa/detector-RandD.html

http://www.desy.de/~lcnotes

http://tesla.desy.de/new_pages/TDR_CD/start.html

Ein herzliches „Danke schön“ an: Andreas Ludwig, Karsten Büsser, Dean Carlen, Klaus Desch, Rolf Heuer, Thorsten Kuhl, Christoph Rembser, Marcel Trimpl, Norbert Wermes und viele andere aus dem ECFA LC-Workshop