R&D für ein hadronisches Kalorimeter für den...

September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg

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R&D für ein hadronischesKalorimeter für den Linearcollider

Marius GrollUniversität Hamburg

36. Herbstschule für HochenergiephysikMaria Laach 2004


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Inhalt

• Der Linearcollider• Physikalische Motivation• Kalorimetrie am Linearcollider• Aktuelle Studien & Prototypen


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•e+e- Kollisionen• = 91 GeV - 1 TeV•Integrierte Luminosität: ~500 fb-1 pro Jahr•Länge: 30 - 40 km•Supraleitende Beschleunigungstechnologie/Niobresonatoren mit Gradienten von35 MeV/m•Entwicklung des Designs für den ILCbis Ende des Jahres 2007•Start des Experiments: 2015

Linearcolliderlinear accelerator

electron−positron collision

high energy physics experiments

electron source

positron source

aux. positron and2nd electron source

damping ring

damping ringpositron

preaccelerator

e−

e+

e−

s


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• Entdeckungen und Präzisionsmessungen

• Seltene Prozesse→ Limitierte Statistik

• Endzustände mit schwerenBosonen W, Z, H• Rekonstruktion derhadronischen Zerfallskanäleist wichtig

Multi-Jet Ereignisse

Physik am LC

ZHH500 events

= 500 GeV

500 fb-1/Jahrs


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WW / ZZ Trennung

• Herausforderung: Trennung von W and Z im hadronischen Zerfallskanal

e+ e- → ν ν W+ W- → ν ν qqqqe+ e- → ν ν Z Z → ν ν qqqq

• Neutrinos verhindern kinematischen Fit

→ Teilchenseparation & Energieauflösung sind essentiell

LC Designziel

%30=α

%60=αMasse j3 j4 GeV

Masse j1j2 GeV

Ziel: σ/E = 30%/√E

LEP Detectorν

ν

EWSB Mechanismus

Unitaritäts-verletzungbei ~1.2 TeV

σ/E = α/√E


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Kalorimetrie am LC

62 % geladene Teilchen : 26 % γ : 10 % KL,n : 2 % ν

Woraus setzt sich ein Jet zusammen?

Was können die Kalorimeter davonexklusive messen?ECAL: Photonen γHCAL: Energie-rekonstruktion derneutralen Teilchen


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„Particle Flow“ Konzept

Ejet = Egeladen + EPhotonen + Eneutr. Had.σ2

Ejet = σ2Egeladen + σ2

EPhotonen + σ2Eneutr. Had. + σ2

Konfusion

Ejet = 100 GeV: σ/E = 190 MeV + 900 MeV + 3 GeV + σ2Konfusion

σ2Ejet = (0.14)2 (Ejet GeV) + σ2

Konfusion Idealσ2

Ejet = (0.30)2 (Ejet GeV) realistisch

Idee: Rekonstruktion der einzelnen Teilchen im Jet

Auflösung wird durch Konfusion(überlappende Schauer) dominiert→ Feine Segmentierung wichtiger als Energieauflösung

→ Tracking-Kalorimeter:

hohe Granularitätbeider Kalorimeter

γ

KL,n

π


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Hadronische Schauer

Rekonstruktion der inneren Struktur:

Hits → Cluster → SchauerCluster/Hit Typen:

•EM-Subschauer mit hoher Hitdichte

•Hadronische Cluster von Kerninteraktionen

•MIP Cluster: Linie von Hits deren EnergiesummeMIP-kompatibel sind

•Neutronen: niedrig energetische separierteNeutronen ausA(n,γ) oder np→np Reaktionen

Besseres Verständnis von hadronischen Schauern ist

notwendig!Modelle machen signifikant

unterschiedliche Vorhersagen

π+ 5 GeV

π+ 5 GeVKL

0 5 GeV


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Physik-PrototypCalice Projekt:

•1 m3 Tile HCAL Prototyp•Gesamtgewicht: ~6t•Hadronischer Teststrahl mit ECAL 2005/06•ECAL: Tungsten-Silizium Sampling Kalorimeter (40 Ebenen, 1x1 cm2)•Test von einem System mit hoher

Kanalanzahl → Elektronik•Analoge & DigitaleAuslese•Test des “Particle Flow” Konzepts

5m


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PPT: Geometrie

1 m2 mit 220 tiles

• 38 Ebenen

30 * 220 tiles+ 8 * 145 tiles= 8000 Analoge

Kanäle• Auslese mit

SiliziumPhotomultiplier (SiPM)


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HCAL:Innerhalb vom 4T Magnetfeld160000 – 800000 KanäleSamplingstruktur mit Stahl als Absorber und…

digital vs. analog• Analoges HCAL (Tile HCAL)

laterale Segmentierung: 5x5 cm2

Szintillator als aktives Material

• Digitales HCALHöhere laterale Segmentierung: 1x1 cm2 aber digitale AusleseOptionen für das aktive Material:Szintillator oder Gas

TPCTPC

ECALECALHCALHCALKalorimetrie am LC


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Ziel des ersten Prototypen

Detektor-Hardware verstehen!MiniCal ist der erste Prototyp für Tests am Konzept eines feinsegmentierten Tile-Kalorimter:

- Optimierung der Lichtausbeute- Tile Gleichförmigkeit- neue Photodetektorkonzepte- MIP Kalibration- Stabilitätsstudien- MC Simulation

MiniCal wird seit Mai 2003 am DESY e-Teststrahl betrieben:1 – 6 GeVIn Zusammenarbeit mit verschiedenen Instituten: HH-Universität, DESY, MEPHI, Prag, LPI, ITEP

97% desSchauersin 11 Ebenenenthalten

e+ 1-6 GeV

A-HCAL: Prototypen am DESY

2 cm Stahl

0.5 cm Szintillator

0.1 cm Ø WLF

Kassette

100 Kanäle


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A-HCAL: Szintillator RO

Tile Größe: 5x5x0.5 cm3

1-loop oder curve-diagonalWLS-Faser in einer Fuge

Jedes tile mit 3M Reflektor umgeben

Konventionelle Kopplung:

Direkte Kopplung

MAPM, APDMAPM, APD

SiPMSiPM GeringereVerluste beimLichttransport


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Test von 3 Photodetektoren

Photomultipliertubes (PMT):• bester und bekanntester Photodetektor• funktioniert nicht im Magnetfeld

Avalanche Photodiode:• bereits am CERN erfolgreich eingesetzt• Größe: 3x3 mm2

• Verstärkung ~ 200 Vorverstärkertest

Silicon PhotoMultiplier (SiPM)MEPhI&PULSAR

Silizium Photo-Multiplier (SiPM):• neues PD Konzept, erste Teststrahlmessungen• Größe: 1x1mm2, 1024 Pixels/mm2

• Verstärkung ~1*106

kein Vorverstärker notwendig• direkte Kopplung am Tile


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MIP KalibrationSiPM

PMT

APD

Gauss Landau

σMIP

MIP/σped = 30

MIP/σMIP = 3.7

MIP := MPV - Pedestal

SiPM: Gute Trennung vom Pedestal& wenig Noise

MIP/σped = 17

MIP/σMIP = 4

MIP/σped = 10

MIP/σMIP = 4


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Ereal

Deponierte Evon GeantDeponierte Evon Geant

PhotodetektorPhotodetektor ADC ADC

EMIP MIP●Verschmierung der # PhE

# MIPs = # PhE = # MIPs * PhEADCch = # PhE * ADC

Ereal

PhE

● Material● Geometrie

● PhE / MIP angepaßt an die Breite des MIP Signals

● ADC / PhE angepaßt an die Position des MIP Signals● Anwendung der gleichenKalibration wie für die Daten

EMIP = 810 keV

Simulationskette


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Schauerrekonstruktion

MIP0 5 10 15 20

# E

ntrie

s

1

10

102

103

MIP0 5 10 15 20

# E

ntrie

s

1

10

102

103

104

MIP0 5 10 15 20

# E

ntrie

s

1

10

102

103

MIP0 5 10 15 20

# E

ntrie

s

1

10

102

103

104

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103

MIP0 5 10 15 20

# E

ntrie

s

1

10

102

103

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MIP0 5 10 15 20

# E

ntrie

s

1

10

102

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MIP0 5 10 15 20

# E

ntrie

s

1

10

102

103

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MIP0 5 10 15 20

# E

ntrie

s

1

10

102

103

MC Data

Layer 5

MCDaten

6 GeV e-

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103 Layer 1

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103

Layer 2

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103

Layer 3

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103

Layer 4

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103

Layer 5

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

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Layer 6

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

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Layer 7

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103 Layer 8

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103 Layer 9

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103 Layer 10

MIP0 50 100

# E

ntrie

s

1

10

102

103

104

Layer 11

MC Data

Laterales Schauerprofil Longitudinales Schauerprofil

zunehmende Tiefe


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MiniCal Ergebnisse

E (GeV)0 1 2 3 4 5 6

MIP

N

020406080

100120140160180200220240

SiPM: 37.9 MIP/GeV

MC SiPM: 38.3 MIP/GeV

MC ideal: 37.9 MIP/GeV

• Gute Übereinstimmung zwischen SiPM, APD und PMT• MC mit Detektorsimulation reproduziert die Daten

Zum Beispiel: Linearität & Energieauflösung der SiPM Daten

Preliminary

E (GeV)1 2 3 4 5 6

(%)

Eσ

8

10

12

14

16

18

20

22

24 sipma 20.74 sipmb 2.603

sipma 20.74 sipmb 2.603

mc sipma 19.57 mc sipmb 2.717

mc sipma 19.57 mc sipmb 2.717

mca 18.31 mcb 2.704

mca 18.31 mcb 2.704

SiPMMC SiPMMC

b ;⊕ Ea(%) =

Eσ Fit: •


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Zusammenfassung

• Die Physik am Linearcollider ist eine große Herausforderung fürdie Kalorimetrie

• es gibt weltweite R&D Anstrengungen

• neue Techniken wie z.B. der SiPM sind erfolgreich getestetworden

• eine interessante Teststrahlzeit liegt vor uns, um unsereKalorimeterkonzepte und das “Particle Flow” Konzept zu testen

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