Perspektiven der experimentellenHochenergiephysik - Teil 2

142.083

Claudia-Elisabeth Wulz

Institut für Hochenergiephysik derÖsterreichischen Akademie der Wissenschaften

c/o CERN/PH, CH-1211 Genf 23

Tel. 0041 22 767 6592, GSM: 0041 76 487 0919E-mail: Claudia.Wulz@cern.ch

http: //home.cern.ch/~wulz

Nov. 2007

http://wulz.home.cern.ch/wulz/Vorlesung/Vorlesung2_nov2007.pdf

Teilchendetektoren

Kein einzelner Detektor ist optimal, um gleichzeitig Zeit, Position, Impuls und Energie von Teilchen zu messen sowie sie zu identifizieren.

Photonen

Elektronen

Müonen

Pionen, Protonen

Neutronen

innen ... außen ...

DetektorTracker Elektrom. Hadron- Müonsystem

Kalorimeter kalorimeter

Zeitmessung

Geladene Teilchen erleiden Energieverlust durch Anregung und Ionisierung von Atomen im Detektormedium. Ein Teil der Anregungsenergie erscheint in geeigneten Medien als sichtbares Licht, das in Lichtleitern durch Vielfachreflexion zu einem Auslesegerät transportiert werden kann -> Szintillationszähler. Photoelektronenvervielfacher (“Photomultiplier”, “PM”) sind oft verwendete Auslesegeräte. Die Dauer der elektrischen Pulse kann einige ns betragen (organische Szintillatoren, Wellenlängenschieber notwendig)! Zeitauflösung bis zu 200 ps -> Verwendung im Trigger!Verwendung als Koinzidenzzähler und zur Strahldefinition.Probleme: Anpassung der Szintillatorgeometrie an den PM sowie Arbeit in Magnetfeldern.

Photoelektronenvervielfacher

]

Glühkathode (Photokathode)

Licht vomSzintillator 1. Dynode

………….Anode

Photoelektronenvervielfacher

Photokathode: e werden durch Photoeffekt frei. Dynoden: Sekundäremissionselektroden mit sukzessive wachsender PotentialdifferenzPM’s haben i.a. 10 bis 14 Stufen. Verstärkungsfaktoren (“Gain”) bis zu 108 können erreicht werden. Die verschiedenen Spannungen an den Dynoden werden durch Spannungsteiler erzeugt. Die Effizienz für Photoelektronenkonversion an der Kathode hängt stark von der Frequenz des einfallenden Lichtes sowie vom Material ab.

Für die meisten Metalle ist < 0.1%! Halbleiter haben zwischen 10 und 30%. GaP (dotiert mit Zink und Cäsium) hat ≈ 80%! ist für ca. 400 nm Wellenlänge am größten.

Anz. der freigewordenen Photoelektronen

Anz. der auf die Kathode treffenden Photonen ()Quanteneffizienz () =

Eigenschaften einiger Szintillatoren

NaI(Tl) BGO CsI(Tl) Polystyren +p-terphenyl

Zerfallszeit / ns 250 300 1000 3max (nm) 410 480 565 355Relative Lichtausbeute 1.0 0.15 0.40 0.13

Szintillatoren erzeugen große Ausgangspulse mit kurzer Anstiegszeit. Jedoch ist die räumliche Auflösung schlecht, da keine klare Korrelation zwischen Teilchentrajektorie und Puls besteht.Braucht man räumliche Information, ordnet man mehrere kleine Szintillationszähler in einem “Hodoskop” an. Um z.B. einen Strahl genau zu definieren, nimmt man mehrere Zähler in Koinzidenz (“Beam Telescope”). Vor allem in Teststrahlen (Test Beams) von Bedeutung.

Strahldefinition

Pion-Zerfall in photographischer

Emulsion

Grundlage: Ionisation.Ionisationsprodukte werden auf Elektroden gesammelt oder die Ionisationsspur wird sichtbar gemacht.

Historische Beispiele: photographische Emulsionen, Nebelkammer, Blasenkammer

Emulsionen haben Auflösung < 1 m, sind aber kontinuierlich sensitiv, und die Ereignisse müssen mit dem Mikroskop gesucht werden!

C. Lattes et al., Nature 159 (1947) 694

Ortsmessung

600

m

e

+ -> + +

+ -> e+ + e + -

K+

+

3 cm Blei}

Geladenes V-Ereignis: K+ -> + +

Rochester & Butler, Nature 160 (1947) 855

Wilson’sche Nebelkammer

Kondensation von Wasserdampf schneller bei Anwesenheit von Ionen. Gefüllt mit Luft, die mit Wasserdampf fast gesättigt ist. Bei Expansion: Luft wird kühler, Tröpfchenbildung entlang Spuren von Ionen, die durch durchgehende geladene Teilchen verursacht wurden. Sensitiv nur während der Expansionszeit, lange Totzeit danach. 1952 durch Blasenkammer ersetzt. Diese ist gefüllt mit Flüssigkeit statt mit Gas, wodurch sie auch als Target dienen konnte.

Big European Bubble Chamber (BEBC)

Photo: CERN

Blasenkammerereignis (neutrale Ströme)

Photo: CERN

Proportionalkammern

104 bis 105 V/cm -> Anzahl der Sekundärelektronen ist proportional zur Anzahl der Primärionenpaare (≈ 105 / Primärionenpaar).

r… Radialabstand, a … Zylinderradius, b … Drahtradius) Gasgefüllt, z.B. mit Argon. “Quenching” - Komponente (z.B. Methan) für höhere Spannungen (Geiger-Müller-Bereich) nötig, um die Ausbreitung von Elektronen bzw. Ionen zu stoppen.

Proportionalzählrohr

+V0

Signal

Anodendraht

Kathode

1 V0

E = r ln(b/a)

_ _____

Charpak (1968, Nobelpreis 1993): viele Anodendrähte zwischen zwei Kathodenplatten. Ortsauflösung: ≈ 300-500 m, Zeitauflösung ≈ 30 ns.

Multiwire Proportional Chamber (MWPC)

L ≈ 5-8 mm, d ≈ 1-2 mm, Drahtdurchmesser 20-40 m

Äquipotential- und Feldlinien in MWPC

Kathode

Anoden-drähte

Kathode

Nur 1 Koordinate durch Adressen der getroffenen Drähte!

Messung der zweiten Koordinate

x-y (u-v) - Konfigurationx-y (u-v) - Konfiguration

Multiwire Proportional Chamber (MWPC)

Gekreuzte Drahtebenen

“Geistertreffer”, daher nur für niedrige Multiplizitäten

““Charge Division”Charge Division” y

L

TeilchenspurAnodendraht

ADC(Analog/Digital -

Konverter)

QB QA

ADC

y QA___ = ___________

L QA+ QB

y___) ≈ 0.4 % ( L

Multiwire Proportional Chamber (MWPC)

Photo: CERN

Driftkammer

Ersatz von MWPC. Auflösung 100-200 m.

Szintillationszähler startet einen Timer (TDC) und definiert t0 .t1 ist die Ankunftszeit der Elektronen am Anodendraht.vD muß möglichst konstant sein. TypischeWerte um 5 cm/s.Eine Driftzelle ist typischerweise einige cm lang bzw. breit.

to

t1

Driftzelle

t0

t1

Driftkammer

Driftkammern gibt es in planaren (z.B. CMS-Experiment am CERN) und zylindrischen Anordnungen (“Jetkammern”, z.B. OPAL-Experiment am CERN).

Driftkammer

Straw Tracker des ATLAS-Experiments

Photo: CERN

Streamerkammer

Gasverstärkung 108 Elektronen pro Primärionenpaar -> “Streamermode” (lokales Plasma) -> durch Rekombination von Ionen entsteht sichtbares Licht von den Streamern -> elektrischer Puls. Elektroden sind parallele Platten, HV 10-50 kV/cm mit Pulslänge von 3 - 50 ns ergibt Streamer von einigen mm Länge. Auflösung ca. 200 m. Elektrisches Analogon zur Blasenkammer.

Photo: CERN

Resistive Plate Chamber (RPC)

Abgeleitet von Proportionalkammern. Arbeitspunkt nahe dem Streamer Mode (starke Photonemission).

Elektroden z.B. aus Bakelit ( ≈ 109-1010 cm) mit Graphitbeschichtung. Zeitdispersion: ≈ 1-2 ns -> geeignet zum Triggern!RPC’s gibt es auch in Anordnungen mit mehreren Gasgaps. Dadurch erreicht man bessere Effizienz und zeitliche Auflösung.

Time Projection Chamber (TPC)

3-dimensionaler Spurendetektor, der auf Ideen der MWPC und der Driftkammer basiert. Hauptsächlich in Verwendung bei e+e- - Collidern und Ionenexperimenten. Die TPC besteht aus einem großen, gasgefüllten Zylinder mit einer dünnen HV-Elektrodenplatte in der Mitte -> uniformes E-Feld. Zusätzlich wird ein paralleles B-Feld angelegt. An den Stirnseiten des Zylinders sind Sektoren von Ebenen aus Anodendrähten angeordnet (Endkappen). Parallel zu jedem Draht liegen Kathodenpads. Die durch den Durchgang eines Teilchens erzeugten Elektronen driften zu den Endkappen. 1 Koordinate ist durch die Position der getroffenen Anode gegeben, die 2. durch das auf den Kathodenpads induzierte Signal. Die 3. Koordinate entlang der Zylinderachse ist durch die Driftzeit der Ionisationselektronen gegeben. Man erhält viele Raumpunkte entlang einer Spur. Zur Vermeidung von Diffusion ist das Magnetfeld vorhanden. Signalamplituden an den Endkappen sind proportional zum Energieverlust dE/dx. Der Impuls kann aus der Krümmung bestimmt werden -> Teilchenidentifikation.

Time Projection Chamber (TPC)

Kathodenpads

Anodendrähte

Endkappen

DriftendeElektronen

Hochspannung

Elektronendriften

Elektrisches Feldparalleles Magnetfeld

Teilchen

Hochspannungs-ebene

Time Projection Chamber (TPC)

ca. 1000 Spuren

Halbleiterdetektoren

Ohne Sperrspannung findet anfangs eine Diffusion von Löchern zur n-Region und von Elektronen zur p-Region statt. Die diffundierenden Elektronen füllen Löcher in der p-Region, die Löcher fangen Elektronen in der n-Region. Da n- und p-Regionen ursprünglich elektrisch neutral waren, entsteht Aufladung beiderseits des pn-Übergangs. p-Region wird negativ, n-Region positiv. Dadurch entsteht ein Feldgradient, der schließlich die Diffusion aufhält. Es entsteht eine Zone, die frei von mobilen Ladungsträgern ist.

n p+ -

Abreicherungszoneohne Vorspannung

Abreicherungszonemit Vorspannung

p-n Übergang mitSperrspannung

Dotation:n: As, P, Sb (5 Valenzel.)p: Ga, B, In (3 Valenzel.)

Bei Halbleiterdetektoren spielen Elektron-Loch-Paare die Rolle von Ionenpaaren in Gasdetektoren.

Halbleiterdetektoren

Durch Anlegen einer Sperrspannung (ca. 100V) wird die dünne Abreicherungszone auf den ganzen Bereich ausgedehnt.

Durch Energieabgabe in der abgereicherten Zone (durch durchgehende geladene Teilchen) entstehen freie Elektron-Loch-Paare.Im elektrischen Feld driften die Elektronen und Löcher zu den Elektroden - es entsteht ein meßbarer Strom.

Das gemessene Signal ist proportional zur Ionisation.Elektron-Loch-Paare spielen also die Rolle von Elektron-Ionen-Paaren in Gasdetektoren.

Die zur Ionisation nötige Energie ist aber ca. 10 mal kleiner als für Gasionisation. Dadurch wird bessere Auflösung als in Gasdetektoren erzielt.

Silizium-Mikrostrip-Detektoren

Diese werden als Präzisionstracker benützt. Sehr gute Auflösung, bis zu 5 m (durch “Charge Division”).

Rauminformation durch Segmentierung der p-Schicht -> einseitiger Mikrostripdetektor. Doppelseitige durch zusätzliche Segmentierung der n-Schicht.

Auslesestreifen

Silizium-Mikrostrip-Detektoren

Zwei 15x15 cm2 Silizium-Mikrostrip-Detektoren mit Auslesechip(CMS-Experiment)

Silizium-Mikrostrip-Detektoren

Tracker des DELPHI-Experiments

Ereignis im DELPHI-Vertexdetektor

1.2 M Zellen

Hitauflösung10 m im Barrel 0.0 7.5 cm

Silizium-Mikrostrip-Detektor als Vertexdetektor

Silizium-Pixel-Detektoren

• Diodenmatrix aus Silizium• Ausleseelektronik mit gleicher Geometrie• Verbindung durch Bump Bonding• Als Präzisionsvertexdetektoren verwendet

16x24 Pixel-Matrix (BELLE)

50 m

100 m

Der Impuls wurd durch Messung der gekrümmten Bahnen geladener Teilchen im Magnetfeld festgestellt -> Spektrometer. Bei Collidern um den Wechselwirkungspunkt angeordnet.

Impulsmessung

Dipol

Solenoid

• DipolFeldlinien normal zurStrahlrichtung. Beste Impulsauflösung für Teilchen in Vorwärtsrichtung. Oft in Fixed Target Experimenten.

• SolenoidFeldlinien parallel zurStrahlrichtung. Beste Impulsauflösung für Teilchen in normal zur Strahlrichtung.

Magnetfeldkonfigurationen von ATLAS und CMS

ATLASToroide + zentrales Solenoid

CMSlanges Solenoid

ATLAS-Detektor

A Toroidal LHC Apparatus

CMS-Detektor

Compact Muon Solenoid

Kalorimeter Kalorimeter messen Energie und Position.Prinzip: totale Absorption. Messung von geladenen und neutralen Teilchen möglich. Während der Absorption tritt das Teilchen mit dem Absorbermaterial in Wechselwirkung, erzeugt Sekundärteilchen, die weitere Teilchen erzeugen -> Kaskade (Schauer). Deshalb heißen Kalorimeter auch Schauerzähler.Der Schauer entwickelt sich hauptsächlich in Längsrichtung. Kleinere transversale Komponente durch Vielfachstreuung und Transversal-impulskomponenten der erzeugten Teilchen.

Energiemessung

L

r

0 = RMS = <2>1/2 , rRMS = L0

0 = _____________ q √ L/X0 {1+0.038 ln(L/X0)} 13.6 MeV

cp

X0 … Strahlungslänge q …. Ladung

Kalorimeter sind zum Nachweis hochenergetischer Teilchen besonders geeignet. Der Absorptionsprozeß ist ein statistischer Prozeß, deshalb gilt bei hohen Energien:

Es gibt 2 Grundtypen von Kalorimetern:homogene und SandwichkalorimeterHomogene KalorimeterAbsorber und Detektor in einem, z.B. Bleiglas. Nur elektromagn. Kal. SandwichkalorimeterAbsorber (Pb, Fe, Cu, …) und Detektor (Szintillator, …) in abwechselnden Schichten (“Sampling-Kalorimeter”).

Kalorimeter dienen normalerweise zum Nachweis von nur einer Teilchenart (e/, Hadronen). Eigenschaften von elektromagnetischen und hadronischen Schauern sind nicht gleich.

Energiemessung

_____ ~ ___E 1

E √ E

Elektromagnetische Schauer

Hochenergetische e+/e-: Energieverlust hautpsächlich durch Bremsstrah-lung. Hochenergetische Photonen: Energieverlust hauptsächlich durch Paarerzeugung. Es entsteht eine Kaskade von e+/e--Paaren und Photonen, bis die Energien der Sekundärelektronen unter die kritische Energie Ec fallen, bei der Ionisationsverluste gleich den Bremsstrahlungsverlusten werden (Ec ≈ 600 MeV/Z).

Transversale Ausdehnung eines elektromagnetischen Schauers (95% des Schauerkonus ist in einem Zylinder mit Radius 2 RM enthalten)

(“Molière-Radius”):(“Molière-Radius”):

Es … mec2 √ 4 = 21.2 MeVz.B. Bleiglas: RM = 1.8 cm, X0 = 3.6 cm

RM = X0 ___ Es

Ec

Longitudinale Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers

Einfaches Modell: Jedes e mit E > Ec (Anfangsenergie E0 , E0 >> Ec) gibt nach 1 X0 die Hälfte seiner Energie an ein Bremsstrahlungsphoton ab, jedes Photon mit E > Ec gibt nach 1 X0 seine Energie durch Erzeugung eines e+/e- - Paares ab. Elektronen mit E < Ec strahlen nicht mehr und verlieren den Rest ihrer Energie durch Kollisionen.

e+

e-e-

e- e-

e-

e+

e-e-

t = 0 1 2 4

Strahlungslängen

e+

Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers

Nach t Strahlungslängen ca. 2t Teilchen im Schauer.

Mittlere Energie der e/:

Die Schauerentwicklung hört auf, wenn E(t) = Ec.

Elektromagnetischer Schauer in Nebelkammer

E0

2tEt (t) = ____

tmax = t (Ec) = ____________ln (E0/Ec)

ln 2

Elektromagnetische Kalorimeter

Typische Längenausdehnung: für 30 GeV Teilchen --> mehr als 20 X0 .

Energieauflösung:

a … Stochastischer Term; a ≈ (2 … 15)% b … Konstanter Term (Inhomogenitäten, Interzellkalibration,

Nichtlinearitäten) -> dominiert bei hohen Energien; b ≈ (0.5 … 5) %c … Noiseterm (Elektronisches Rauschen, Radioaktivität, Pile-up)

Die räumliche und die Winkelauflösung zeigen auch ein 1/√E - Verhalten.

_______ = ___ + b + __ (E) a c

E √E E

Hadronische Schauer

Qualitativ ähnlich den em. Schauern, jedoch treten komplexere (inelastische) Prozesse auf. Mehr Fluktuationen -> schlechtere Energieauflösung als für em. Kalorimeter. Typisch: a ≈ (50 … 100)%, b ≈ (4 … 10)%.

Die Größe des Schauers ist definiert durch die Absorptionslänge a. Diese ist immer größer als X0 -> Hadronkalorimeter sind immer dicker als em. Kalorimeter. Typische Dicken: 10 a und mehr. Verlust durch Kernanregung, “Leakage” von Zerfallsmüonen und Neutrinos aus dem Kalorimeter -> sichtbare Energie 20 bis 30% kleiner als für Elektronen -> Nichtlinearität! Kompensation kann man jedoch durch geschickte Anordnung der Samples und andere Methoden erreichen.

Teilchenidentifikation

Unterscheidung von /K, K/p, e/, /0, ...Kalorimeter, Müondetektoren, Vertexdetektoren …Methoden hängen sehr vom interessanten Energiebereich ab. Möglich sind die gleichzeitige Messung von dE/dx und p, Flugzeit, die Verwendung von Cerenkovlicht sowie Übergangsstrahlung.

dE/dx-MessungdE/dx-Messung

Gleichzeitige Messung von p und dE/dx definiert die Masse und somit die Identität eines Teilchens.

p = m12

dE/dx ~ ___ ln (22)

dE/dx-Messung

Mittlerer Energieverlust für e, , , K, p in 80/20 Ar/CH4

} /K - Trennung erfordert dE/dx-Auflösung von < 5%!

e

K

p

Monte-Carlo

dE/dx im DELPHI-Detektor

pK

Daten

e

Flugzeitzähler (Time of Flight Counter)

Limitiert auf Teilchen mit Impulsen kleiner als wenige GeV.

t für Weglänge von L = 1mSzintillator mit t = 300 ps/K-Trennung bis 1 GeV

t = __ ( __ - __ ) ≈ ____ (m12 - m2

2)Lc

11 2

1 Lc2p2

Cerenkovzähler

Beim Durchgang eines geladenen Teilchens mit Geschwindigkeit v durch ein Medium mit Brechnungsindex n werden angeregte Atome in der Nähe des Teilchens polarisiert. Ist v > c/n, erscheint ein Teil der Anregungsenergie als kohärente Strahlung, die in einem typischen Winkel zur Bewegungsrichtung auftritt. Eine Bestimmung von liefert ein direktes Maß für die Geschwindigkeit. Im Vergleich zu einem typischen Szintillator (104/cm) werden wenige Photonen emittiert. Deshalb sind Cerenkovzähler mehrere m lang.

v > c/nn > 1

cos = ____1n

Wellenfrontct/n

ct

Cerenkovzähler

Cerenkovzähler werden in 2 Betriebsarten verwendet:

1)1) Schwellenmodus (“Threshold mode”)Schwellenmodus (“Threshold mode”)Zum Nachweis von Teilchen, deren Geschwindigkeit einen gewissen Wert überschreitet. wird nicht explizit gemessen.Annahme: 2 Teilchen mit 1 und 2 sind bei einem gegebenen Impuls p zu unterscheiden. In einem geeigneten Medium, in dem 1n > 1 ≥ 2n ist, erzeugt Teilchen 1 Cerenkovstrahlung, Teilchen 2 jedoch nicht. , bei dem das Teilchen Cerenkovlicht zu erzeugen beginnt: Schwelle = E/mc2

Medium n-1 Photonen/cm Schwelle

___________________________________________________________________________________________

He 3.5 . 10-5 0.03 120CO2 4.1 . 10-4 0.4 35Silikagel 0.025-0.075 24-66 4.6-2.7Wasser 0.33 213 1.52Glas 0.46-0.75 261-331 1.37-1.22

Teilchenunterscheidung funktioniert bis ca. 30 GeV/c.

Cerenkovzähler

2)2) Differentieller Modus (Fokussiermodus)Differentieller Modus (Fokussiermodus)Hier wird der Winkel durch ein Spiegelsystem gemessen. Wenn alle Teilchen in dieselbe Richtung fliegen, kann der Kegel des Cerenkovlichts auf eine Schlitzblende fokussiert werden und mit einem PM ausgelesen werden. Man kann den gewünschten Geschwindigkeitsbereich entweder durch Adjustierung der Blende auswählen oder den Brechungsindex durch Veränderung des Druckes oder der Zusammensetzung des Gases verändern.

PrismaBlende

Medium

sphärischerSpiegelzu PM’s

Cerenkovzähler

Wenn Teilchen nicht parallel zu einer fixen Achse fliegen, muß man einen RICHRICH (Ring Imaging Cerenkov Counter) verwenden. In manchen Collider-Experimenten verwendet. wird durch Schnitt des Cerenkovkegels mit einer photosensitiven Ebene bestimmt. Die Radien der Ringe hängen vom Emissionswinkel der Cerenkovstrahlung ab.

Spiegel

Cerenkov-medium

RICH-Detektoren

Ein RICH mit 2 Medien erlaubt /K/p-Trennung von 0.7 bis 45 GeV/cz.B. in DELPHI und SLD.

DELPHI: Das flüssige Medium kann Teilchen im Impulsbereich 0.7 bis 9 GeV/c identifizieren. Das gasförmige Medium dient zur Teilchenidentifikation von 2.5 bis 25 GeV/c.

DELPHI

DELPHI-RICH

2 Teilchen in einem Hadronjet aus einem Z-Zerfall im gasförmigen und flüssigen Cerenkov-Medium.

/K - Hypothese

Übergangsstrahlung

Für sehr hohe Energien ( ≥ 1000). Übergangsstrahlung tritt auf, wenn geladene Teilchen durch Schichten mit verschiedenen dielektrischen Eigenschaften durchgehen. Die Intensität der emittierten Strahlung (im optischen und im Röntgenbereich) reflektiert die Teilchenenergie E = mc2, nicht die Geschwindigkeit. Wahrscheinlichkeit für Übergangsstrahlung höher für größere Besonders benützt zur Elektronidentifikation (z.B. bei H1 am DESY, D0 am Fermilab oder ATLAS am CERN). Unterscheidung von möglich ab p > 1 GeV.Ein Röntgenquantum wird nur mit Wahrscheinlichkeit 1% pro Übergang emittiert -> mehrere 100 Übergänge in der Praxis, z.B. Li oder Plastikfolien in Gas.

ATLAS TRT-Prototyp(Transition Radiation Tracker)