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Anforderungen CMS ATLAS LHCb ALICE Referenzen

LHC-Detektoren

Hanno Volker

21. November 2006


Ubersicht I

1 Anforderungen an die DetektorenAnforderungen von LHC an die DetektorenAnforderungen der zu untersuchenden Physik

2 Das CMS-ExperimentDer CMS-DetektorVertexdetektor und TrackerMyonsystem

3 Das ATLAS-ExperimentDer ATLAS-DetektorMyonsystemElektromagnetisches Kalorimeter


Ubersicht II

4 Das LHCb-ExperimentB-Physik an LHCbDer LHCb-DetektorRICH-DetektorenLHCb: RICH1 und RICH2

5 Das ALICE-ExperimentSchwerionen-Physik an ALICEDer ALICE-DetektorZeitprojektionskammer


Besonderheiten am Large Hadron Collider

√s = 14TeV Bedingungen am LHC:

Kollisionsrate 40 MHz(Design-Lumi 1034 cm−2s−1)

Untergrund σ ≈ 100 mb

25 pp-Kollisionen pro BX

∼ 103 Teilchen pro BX

Signal σHiggs ≈ 1 pb

1014 Neutronen/cm2 bei R ≈ 0

Deshalb Anforderungen an Detektoren:

feine Granularitat ⇒ Viele Kanale

schnelle Auslese + Triggersystem fur Online-Ereignisselektion

Strahlenharte


Physikalische Anforderungen

Ziele:

Higgs-Boson (CMS+ATLAS)

Jenseits des SM / SUSY(CMS+ATLAS)

B-Physik / CP Verletzung(LHCb, CMS+ATLAS)

Schwerionenphysik (ALICE,CMS)


Die Suche nach dem Higgs-Boson

2 Photonen: H → γγ

fur kleine Higgs-Massen

elektromagnetisches Kalorimeter mitguter Mγγ-Auflosung

4 Leptonen: H → 2l+2l−

mH = 140GeV . . . 750 GeV

Myonen besser als Elektronen

Myonsystem (hermetisch, effizient)


Die Suche nach dem Higgs-Boson

H → W +W− → l±νjj

große Higgsmassen > 0,5 TeV

Jets ⇒ hadronischesKalorimeter

H → ZZ → l+l−νν

fur große Higgsmassen> 0,5 TeV

Neutrinos: Hermitizitat fur EmissT

Transversalimpuls

Myonsystem und Tracker


Impulsmessung im Solenoidfeld

Magnetfeld B, Lange LN Messpunkte

p = pT/ sin θ; R = pTeB ; s ∼ L2

R

Fehler von pT

raumliche Auflosung:(∆pTpT

)=

σrφ·pT

0,3B·L2 ·√

720(N+4)

Vielfachstreuung:(∆pTpT

)VFS

= 0,05BL ·

√1,43LX0

Fehler von θ

raumliche Auflosung:

∆θ = σzL ·

√12(N−1)N(N+1)

Vielfachstreuung:

∆θVFS = 0,015√3p·√

LX0

⇒ Auflosung verbessert sich mit BL2, aber nur mit√

N.


Magnetsysteme im Vergleich

CMS ATLAS

Solenoid B = 4T Toroid (Myonsystem, B = 0,7 T)+ Solenoid (Tracker, B = 2T)

innen homogen, Toroid auch im Endkappen-inhomogen an den Enden bereich homogen

Eisen ⇒ Vielfachstreuung”Air-Core“Toroid

10 + 10λ⇒ Myon-ID

Krummung in (r ,φ) Krummung in (r ,z)gerade Bahn in (r ,z) gerade Bahn in (r ,φ)


Der Compact Muon Solenoid


Einschub: Prinzip und Aufbau von Halbleiterdetektoren

Verarmungszone im p-n-Ubergang,Raumladung

Teilchen erzeugtElektron-Loch-Paaren

E-Feld trennt Elektronen undLocher

Ortsmessung

Bulk Layer

stark dotierte Schichten /segmentierte Streifen

SiO2-Isolatorschicht

kapazitiv gekoppelteAluminiumstreifen(Auslese)


Bedingungen im CMS-Spurdetektor

R-Abhangigkeit derTeilchenflussdichte

ohne Magnetfeld:1/R2-Abhangigkeit

Magnetfeld halt Teilchen mitkleinem pT gefangen⇒ hohe Teilchenflussdichtenbei kleinen r⇒ angepasste Granularitat


CMS-Tracker

Eigenschaften

Si-Pixeldetektor alsVertexdetektor

Si-Streifendetektor

Fahigkeiten

Impulsauflosung∆pTpT

= 0,15 · pT [TeV]⊕ 0,005fur η ≈ 0


Vertex-Pixeldetektor

Aufbau

3 Barrellagen (4, 7 und 11 cm)

je zwei Endkappenscheiben mitr = 6 . . . 15 cm

Auslesechips, bump bonds

150× 150µm Pixel (n on n)

Auflosung

Lorentzwinkel 34◦ ⇒ ChargeSharing

σφ ≈ 10µm, σz ≈ 15µm

50 Mio. Auslesekanale


Si-Streifendetektor I

Barrel

innen: 4 Schichten (1 & 2doppelseitig) (TIB)

außen: 6 Schichten (1,2 & 4doppelseitig) (TOB)

Endkappen (jede Seite)

innen: 3 × 3 Ringe alsTIB-Abschluss (TID)

außen: 9 Rader (TEC)

je 8+8 Segmente (Petals)7 Ringe (1,2,5doppelseitig)

10 Mio. Auslesekanale


Si-Streifendetektor II

Sensoren und Module

pitch 80 . . . 205µm, p-on-n

Doppelseitige Module: zwei Sensoren um 100 mradgegeneinander verdreht

außen langere Streifen ⇒ Signal/Rauschen-Verhaltnisschlechter

dafur dickere Sensoren (500 statt 300µm)


Strahlenschaden in Silizium

Probleme durch Strahlenschaden

erhohter Dunkelstrom

Anderung der effektiven Dotierung ∼Verarmungsspannung

Verringerung der Ladungssammlungseffizienz

Entstehung

Primares Knock-on Atom ⇒ Punktdefekte

Dann thermische Effekte: beneficialannealing, reverse annealing

Kuhlung auf -10◦C verlangsamt reverse Annealing(∼ 100 Jahre)


Einschub: Einige Arten von Gasdetektoren

Kathoden-Streifenkammer (CSC)

Mehrdraht-Proportionalkammern mitSegmentierung einer oder beider Kathodenin Streifen senkrecht zu den Anodendrahten⇒ Ladungsverteilung auf mehrere Streifen⇒ Schwerpunktsbildung

Driftrohren/-kammern

Driftzeit ⇒ Ortskoordinate

konstante vD ⇒ homogenes ~E⇒ Feldformungselektroden


CMS-Myonsystem

Eigenschaften

4 Stationen

Eisen ⇒ Vielfachstreuung,Identifikation

Barrel:

homogenes FeldDrifttubes und RPCs

Endkappen:

inhomogenes Feldhohe TeilchenflusseCSCs und RPCs

Impulsmessung

Vielfachstreuung bei < 200 GeV

Stand-alone: ∼ 10%

Kombination mit Tracker(< 1 TeV): ∼ 1%


Drifttubes (Barrel)

Zellen

rechteckig 42× 13 mm

Ar/CO2 (85/15) Normaldruck

E-Feld ≈ 2 kV/cm

Drift ≈ 55µm/ns

Gasverstarkung ∼ 105

Ortsauflosung 250µm / Zelle

Kammern aus Tubes

3 Superlagen (r ,φ) und (r ,z)

jeweils 4 Lagen

um halbe Zelle versetzt

Auflosung ∼ 100µm / Station


Kathodenstreifenkammern (CSCs; Endkappen)

6 Lagen pro Station Gas: Ar/CO2/CF4 (30/50/20)Gain: 105

Anodendrahte

azimutale Ausrichtung → (z,r)

Drahtabstand 3,12 mm

Ortsauflosung ∼ mm

schnelles Signal undZeitauflosung ∼ 4 ns

Kathodenstreifen

φ-Koordinate

Ortsauflosung < 100µm

grobe Zeitauflosung tD ∼ 100 ns


Widerstandsplattenkammern (RPCs)

Aufbau

schmales Gasvolumen 2mm,großflachig

isolierende Kunstharzplatten(2 mm, Bakelit)

Hochspannung 9 kV

double gap

Einsatz bei CMS

1 bzw. 2 RPCs proMyonstation

redundante Ortsbestimmungσ ∼ mm

Zeitauflosung ∼ 1 ns

schnelle Response ∼ ns

⇒ Triggerkammern


A Toroidial LHC ApparatuS


ATLAS-Myonsystem

3 Stationen

insgesamt 1200 Kammern

Homogenes Feld → MDTsauch bei großen |η|CSCs bei sehr großen |η|RPCs als Triggerkammernund fur zweite Koordinate(Barrel)

Thin Gap Chambers (TGC)in den Endkappen


Monitored Drift Tubes

Einzelrohr

Durchmesser 3 cm

Ar/CO2 (93/7), 3 bar

Verstarkung ≈ 2 · 104

Einzelrohrauflosung 80µm

Driftzeit max. 800 ns

Kammern

2 Multilayer a 3 oder 4 Lagen

azimuthale Drahte → z

σ ≈ 35µm


Einschub: Grundlagen der Kalorimetrie

ECAL

Absorption + Nachweis +Energiemessung

Bremsstrahlung (e±) +Paarbildung (γ)

Teilchenzahlverdopplung jeX0

Abbruch bei kritischerEnergie

homogen oder Sampling

HCAL

Absorptionslange λ� X0

meistens Sampling-Geometrie

Energieauflosung

statistische Fluktuationen a

longitudinaler Energieverlustb

Rauschen σN

(+Sampling-Effekte)

∆EE ≈ a√

E⊕ b ⊕ σN

E


ATLAS - Kalorimeter

Kalorimetersystem

Blei+LAr-Akkordeon (ECALBarrel+Endkappen)

Eisen+Szintillator (HCALBarrel)

Kupfer+LAr (HCALEndkappen, Abb.)

Vorwarts-Kalorimeter LAr +Cu- bzw. W- Stabmatrix

Anforderungen an ECAL (z.B. Mγγ)

gute Energieauflosung

gute Winkelauflosung

π0-Unterdruckung (Preshower)


Flussig-Argon – Akkordeon-Kalorimeter

Blei 1,5 mm, LAr 2,1 mm

Vorteile

LAr als flussigeIonisationskammer - Elektroden(Cu/Kapton) zwischenAbsorberplatten

Akkordeon ⇒ keine toten Zonen

Performance

Abdeckung bis |η| < 3,2∆EE = 0,1√

E [GeV ]⊕ 0,01⊕ 0,4

E [GeV ]

100000 + 70000 Kanale


B-Physik und CP-Verletzung

SM: CP-Verletzung durchCKM-Phase

- CP-Verletzung im SM zu schwach,um Materieuberschuss zu erklaren.- Inkonsistenzen ⇒

”Neue Physik“

CP-Verletzung im B-System

3. Generation ⇒ großeCPV-Effekte

Oszillationen von B0d ↔ B0

d ≈Lebensdauer

bisher in B-Fabriken (Belle /BaBar)

einige interessante Zerfalle

B0d → J/ψK 0

S (sin 2β, Belle, BaBar)B0

s → D∓s K± (⇒ γ)

B0d → π+π− (⇒ α)


Der LHCb-Detektor


Aufgaben der RICH Detektoren

Teilchenidentifikaton(K-π-Trennung) fur:

B0d → π+π−

Untergrund durch

B0d → K+π−

B0s → K−π+

B0s → K+K−

B0s → D∓

s K±

Untergrund durchB0

s → D−s π

+


Zwei Ring-Imaging-CHerenkov-Detektoren

B0d → π+π−

Anforderungen

breiter Impulsbereich

gesamterLHCb-Winkelbereich(25 . . . 300) mrad

hohe Impulse nur beikleinen Winkeln

⇒ 2 RICH-Detektoren


Cherenkov-Strahlung

Entstehung:

geladenes Teilchen ⇒Polarisation

Lichtgeschwindigkeit imMedium c/n

Wenn β > 1n :

asymetrische Polarisation

⇒ zeitabhangiger Dipol

⇒ Strahlung

⇒Cherenkov-Kegel mit cos θC = 1nβ

⇒Detektion der Cherenkovstrahlungim Photodetektor


Ring Imaging CHerenkov Detector RICH1

r = RS/2 · θC

RICH1

gesamter LHCb-Winkelbereich:25 . . . (300(h)× 250(v)) mrad

Flache minimiern ⇒ nah amWechselwirkungspunkt

kleine bis mittlere Impulse

zwei Radiatoren:

Silikat-Aerogel n = 1,03 (2 bis 10GeV)C4F10 (bis 50 GeV) n = 1,0014

Pixel-Hybrid-Photodioden (HPD) alsPhotodektoren


RICH2 und RICH – HPDs

RICH2

hohe Impulse imVorwartsbereich & 100 GeV

15 . . . (120(h)×100(v))mrad

CF4-Radiator n = 1,0004

auch HPD Auslese

HPD

≈170 bzw. ≈260 HPDs

je 1024 Pixel

(0,5× 0,5) mm =(2,5× 2,5) mm


Schwerionenphysik an LHC/ALICE

Pb-Pb-Kollisionen√

s ≈ 5,5A·TeVRate: 8 kHz(davon 1 kHz zentrale Stoße)

Quark-Gluon-Plasma

Temperatur > 170 MeV ⇒ deconfinement

Unterdruckung von z.B. J/Ψ (cc)J/Ψ → µ+µ−

expandierender Feuerball kuhlt ab⇒ Hadronisation

20000 Spuren / Event


A Large Ion Collider Experiment


ALICE Zeitprojektionskammer (TPC)

Aufgaben

Haupt-Spurdetektor inKombination mit ITC

Zwei-Spur-Trennung

Teilchen ID durch (dE/dx)

Prinzip und Daten

E-Feld parallel zu B-Feld

L = 5m, r = 80 . . . 250 cm ⇒88 m3, |η| < 0.9

Gas Ne / CO2 (90/10)

Spannung 100 kV ⇒ 400 V/cm

max. Driftzeit 88µs

Performance

ε > 90% Spurrekonstruktion

dE/dx - Messung mit ≈ 10%

Impulsauflosung 8,5% furp = 4GeV


ALICE TPC Auslesekammern

Vieldraht-Proportionalkammern mit Kathodenpadauslese (18Trapez-Sektoren)

Unterscheidung innere und außere Kammern (r-Abhangigkeitder Spurdichte)

Gate offen: ab Triggersignal fur max. Driftdauer

Daten

Gas Gain 2 · 104

Pads ∼ mm2

40% . . . 15% Belegung

570000 Kanale


Ereignissimulation ALICE

(http://aliceinfo.cern.ch/Public/panorama/WONDERS QGP/index.html)

http://aliceinfo.cern.ch/Public/panorama/WONDERS_QGP/index.html

http://aliceinfo.cern.ch/Public/panorama/WONDERS_QGP/index.html


Referenzen

http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/CMSposters/CMSposters index.html

CMS Muon Technical Design Report

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/documentation/poster/HTML/

ATLAS LAr Technical Design Report

LHCb RICH Technical Design Report

ALICE TPC Technical Design Report

http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/CMSposters/CMSposters_index.html

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/documentation/poster/HTML/

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