Teilchendetektoren

Energiemessung mit Kalorimetern

Sommersemester 2012

Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW

Themen

• Was ist ein Kalorimeter ? • Elektromagnetische Kalorimeter für Elektronen, Positronen

und Photonen • Hadronische Kalorimeter • Instrumentierung von Kalorimetern • Kryogenische Kalorimeter • Kalorimeter für die Astrophysik • Beispiele für Kalorimeter-Systeme

ENERGIE MESSUNG MIT KALORIMETERN

PRINZIP DER KALORIMETER - MESSUNG : • Totale Absorption des Teilchens im Kalorimeter – Material WECHSELWIRKUNG (im Allgemeinen) • Elektromagnetisch : elektromagnetische Kalorimeter • Hadronisch : hadronische Kalorimeter ABSORPTIONSPROZESS • Teilchen gibt Energie in einer Folge von Kollisionen ab; • Bildung eines ‚‘Schauers‘ von Sekundär-, Tertiär-,... Teilchen; solange, bis Energie der Schauerteilchen

unter Schwelle für Teilchenproduktion fällt. • Letztlich : Energie in molekulare Vibrationen ⇒ Wärme ⇒ • ‘Kalorimeter’

ENERGIEBEREICH FÜR KALORIMETRIE

0.1 eV - 10 eV : ‘Niedertemperatur’ – Kalorimeter für WIMPs (Weakly Interacting Massive

Paticles…Dunkle Materie Kandidaten), Röntgenspektroskopie

⇒innovative Entwicklungen 1 keV - 100 MeV: Kernphysikalische Anwendungen 100 MeV - einige TeV: Anwendungen bei Beschleuniger-

Experimenten ⇒ Entwicklung der ‚klassischen‘ Kalorimetrie

100 GeV - >100 EeV: Astro-Teilchenphysik; UHE (Ultra High Energy) Kosmische

Strahlung ⇒Innovative Entwicklungen

CHARAKTERISTISCHE EIGENSCHAFTEN von KALORIMETERN

• Zahl N der Teilchen in Kaskade N ~ E • Fluktuationen von N (Annahme von unkorrelierter Produktion) ~ • Energieauflösung : ~ ~ ~1/ ~ • Energieauflösung wird mit höherer Energie besser ! • (im Gegensatz zu Impulsmessung Δp/p ~ p) • Länge des Absorbers L ~ Schauermax ~ ln E • Kalorimetrische Messung ist ladungsunabhängig • Einzige Methode, stabile neutrale Teilchen zu messen • Eigenschaften der Absorption hängen von Teilchenart ab • ⇒ Möglichkeit von Teilchenidentifikation (Photon, Elektron, geladene / neutrale Hadronen, Myonen,

Neutrinos) • Relativ schnelle Detektoren ⇒ ‘Trigger’ (Ereignis – Auswahl) • Bei geeigneter Instrumentierung ⇒ Ortsmessung mit mm bis cm

Genauigkeit

NE / E ∆ N/N∆ E / 1/NN

BEAUTY IN THE EYE OF THE BEHOLDER

Photographie eines 50 GeV/c Elektron – Schauers in L (70% Ne/30%H2) – gefüllter Blasenkammer (BEBC); B=3T ρ = 3.3 p/B δ= 1.2g/cm3 Radiation length X0 = 30 cm Frage: wie gross ist die Summe der Spuernlänge aller Spuren (in cm)? Wie

vergleicht sich diese Zahl mit dE/dx für Ionisation (Bethe-Bloch)? Bei welcher Energie der Teilchen endet Teilchenproduktion?

ELEKTROMAGNETISCHE KALORIMETER ENERGIEVERLUST : ELEKTRONEN; PHOTONEN

a) b)

Bei hohen Energien: 1/E dE/dx ~ konst. dE/dx = - E / X0; E = E0 exp ( - x / X0 ) ; X0 (LR )…charakteristische Länge , ‘ Strahlungslänge’ Bei einer gewissen Energie ε (kritische Energie) ist Energieverlust durch ionisation und Bremsstrahkung gleich; im Falle von Blei: ε ~ 8 MeV

Feynman diagrams for Bremsstrahlung and Pair production

Feynman Diagram for Bremsstrahlung in the field of nucleus with atomic number Z

Feynman Diagram for Pair production in the field of nucleus with atomic number Z

ENERGIEVERLUST DURCH BREMSSTRAHLUNG

lungBremsstraheinE

An

BST|

dxdE

σ⋅⋅=

3/1/2Material

Zmcein

E α>>Für einfallende Energie Eein :

[ ]18/1183ln(4 3/10 += −

MATZlungBremsstrah σσ

Unabhängig von Energie des einfallenden Teilchens

dxlungBremsstrahA

nE

dE⋅σ⋅−=

,

]1[

]2][3[ −

−

Lange

cmcm (-) Verlust an Energie

TeilchensdesMasseLadungmzmc

ezZmit MAT ,...,;4

12

2

22

0

20

⋅=

πεασ

STRAHLUNGSLÄNGE LR ( X0 )

) 183( 4 3/1A0

1 −− ≈ MatR ZnnL σ

PositronenElektronenfuerZcmgZALR //1] [/180 22 ≈≈ −

UNABHÄNGIG VON ELEKTRONEN (POSITRONEN) ENERGIE

RL/x

0R eEEL/EdxdE −

=→−=

STRAHLUNGSLÄNGE LR (od.X0): DISTANZ, IN DER ELEKTRONEN ENERGIE AUF E-1 REDUZIERT WIRD (DURCH STRAHLUNGSVERLUSTE)

5801140|/| 2

EinMATe

EinMATKOLLISIONBST

EZ

cm

EZ

dxdE

dxdER

⋅=

⋅≈=

‘KRITISCHE’ ENERGIE ε’ : R=1, d.h Strahlungsverluste = Kollisionsverluste ε ≈ 580 / ZMAT (MeV)

nA = [NA(Atome/Mol)ρ(gcm-3)]/A(g/Mol)

ABSORPTION von PHOTONEN

Als Funktion der Energie des Photons : Photoeffekt; Compton Streuung κnuc : Paarproduktion im Coulomb-Feld des Kerns

ASYMPTOTISCH, Eγ> > EC

−= −

541) 183( ln

974 3/1

0 MATPaar ZσσBSTPaar

97 σ≈σ

STRAHL VON PHOTONEN WIRD IM HOMOGENEN MATERIAL EXPONENTIELL ABGESCHWÄCHT

)x( expI)x(I0

µ−=

]g/cm[ / 2)Dichte(

"NTSKOEFFIZIEABSORPTIONMASSEN" −=ρµ

)(A

NA

NPaarComptonPhoto

ATotal

A σ+σ+σ≈σ=ρµ

Bremsstrahlung und Paarproduktion haben sehr ähnliche QED Graphen

HEITLER – ROSSI MODELL : einfaches Modell der Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers

• Modell: WW nach einer freien Weglänge (~ X0) • Zahl d. Teilchen nach t X0 : N (t) = 2t, E (t) = E0/2t

• Schauerbildung bis E < ε : tmax = ln (E0/ ε) /ln2 Nmax = E0/ε • Konsequenz : Nmax proportional ~ E0 Länge für totale Absorption ~ tmax ~ ln E0

Cloud chamber photo of electromagnetic shower developing in spaced lead plates

Vereinfachte Beschreibung eines elektromagnetischen Schauers

• Bei hohen Energien ( > 100 MeV): • Emissionswinkel von γ, e+ , e- , sehr klein; longitudinale und

transversale Entwicklung können getrennt behandelt werden • Charakteristische longitudinale Distanz: X0

• Charakterisiert die Physik der Schauerentwicklung • Schauerentwicklung mit stetig größer werdender Zahl von

Elektronen und Positronen, und stetig kleiner werdender Energie • Bei kritischer Energie ε wird Strahlungsenergieverlust =

Kollisionsenergieverlust • Schauerentwicklung unterhalb ε höhrt auf → Maximalanzahl der

Sekundärteilchen erreicht→Schauermaximum • Danach : Absorption durch Kollisionsverluste

SKALIEREN als FUNKTION der CHARAKTERISTISCHEN LÄNGE : Xo

• ABSORPTION (Longitudinale Verteilung) wird durch Strahlungslänge beschrieben : skaleninvariant, wenn Material durch Strahlungslänge X0 charakterisiert wird

Transversale Ausdehnung: bestimmnt durch Vielfachstreuung niederenergetischer Elektronen (‘Moliere’ Radius) RM(gcm-2) ≈ 21MeV. X0 / ε (MeV)

ε ≈ 580MeV / Z

Absorption von 6 GeV/c Elektronen

Beispiel

• 10 GeV Elektronen in Blei: • Wie gross ist die kritische Energie? • Wie hoch ist die Zahl der Teilchen aller Generationen bis zur kritischen

Energie? • Nach wie viel Strahlungslängen wird das Maximum des Schauers

errreicht?

SIGNAL- UND ENERGIE- AUF LÖSUNG IN HOMOGENEN E.M. KALORIMETERN

• HOMOGEN : Signal von gesamten Absorbervolumen erhalten (z.B. Szintillationslicht im Kristall)

• SIGNAL : im ‘Rossi’- Modell eines e.m. Schauers durch die Spurlängen der Elektronen und Positronen bestimmt (durch Ionisation, dE/dx)

• SIGNALABSCHÄTZUNG: Signal (Elektron, Photon) ≈ ≈ Signal (Myon mit selbem

Energieverlust in Absorber) ⇒ Abschätzung richtig zu ≤ 20 % ! • SIGNALFLUKTUATION = >ENERGIEAUFLÖSUNG Abweichung von diesem einfachen, ‘linearen’ Modell; z. B : etwas Energie (1bis 2 %) wird aus Eintrittsebene zurückreflektiert Fluktuationen in der Zahl der niederenergtischen Teilchen ⇒

Saturation, Signal-Nichtlinearitäten,… • INTRINSISCHE ENERGIE AUFLÖSUNG : ; E in GeV E / 0.01 E/ ≈σ

EIGENSCHAFTEN von KRISTALLEN für EM KALORIMETER

BGO in LEP im L3 Expt. PbWO4 bei LHC im CMS und Alice Experiment

HETEROGENE (‘SAMPLING’) KALORIMETER

• HETEROGENE K.: zusammengesetzt aus abwechselnd ‘passiven’ Absorberplatten (Fe, Pb,…) und ‘aktiven’ Signalebenen (Szintillator, MWPC,… • VORTEILE : optimale Wahl der Absorbers (z.B : e/π Diskrimination) optimale Wahl der Signalauslese • NACHTEIL : nur ein Bruchteil (~1-10%) der Enerieabgabe gemessen ⇒ Fluktuationen im messbaren Anteil der Energie ⇒ ‘Partialfluktuationen’ (‘Sampling’ fluctuations)

• ‘SAMPLING’ AUFLÖSUNG

• ΔE (MeV)….dE/dx (min.I.) in einer Zelle (Zelle = 1 Absorberplatte + Signalebene

1/2 (GeV)] E / (MeV) E [ 0.05 E / E)( ∆≈σ

ABSCHÄTZUNG DER ‘PARTIAL‘ FLUKTUATIONEN

SIGNAL: GEGEBEN DURCH e+ e - PAARE, DIE DIE SIGNALEBENEN (ABSTAND d cm) KREUZEN ZAHL DER KREUZUNGEN : N

)( )(

ABSTANDdGESPURENLAENSN S=

=∆

==σ

=σ

EE

NN

N)N(

E)E(

‘PRAKTISCHE EINHEITEN’ = ; jedoch: Paare sind korrieliert; zusätzlicher Faktor √2 )(

)(032.0GeVEMeVE∆

~ E / Δ E , Δ E… Energieverlust in Detektorzelle,d.h. passive (1)+aktive(2) Lagen

Beispiel: Detektorzelle bestehend aus 5mm Fe + 3mm Szintillator ΔE = .5* 8*1.4 + .3* 1* 1.4 MeV ~ 6 MeV Für E = 1 GeV σ(E)/E ~ 0.032 *√2* (6/1)1/2 ~ 0.11 ; σ(E) = 110 MeV

Von LEP (BGO für L3) zu LHC (PbW04 für CMS,ALICE ): ein NEUER KRISTALL IST ‘GEBOREN’

• Neue Anforderungen :

• wesentlich schnellere Signale ( ~10 ns anstelle von 300ns )

• wesentliche höhere Strahlenbelastbarkeit

• wesentlich höhere Produktionskapazität für Kristalle

Die Erfolgsstory von PbWO4 (CMS, Alice)

• Historical background • Lead Tungstate (PbWO4) first time introduced as material for HEP in

92 at CRYSTAL 2000 Chamonix Conference by Nagornaya (Kharkhov) and Katchanov (IHEP)

• R&D in Crystal Clear collaboration at CERN since 1992 • First growth technology developed by INP Minsk and transferred to

Bogoroditsk at the end of 92 • PbWO4 chosen as ECAL baseline by CMS und Alice in 1995

• Challenging problem: How to

• Develop technically the crystal production • Install production infrastructure • Mass produce 80’000 crystals (11 m3, 90 tons)

• In less than 10 years • at an affordable price for European tax payers

CMS Electromagnetic Calorimeter

CERN-ISTC collaboration for PbWO4 Development

• R&D phase • Project #354 from July 96 to July 98 • Demonstrate that PbWO4 crystals could reach the level of performance

imposed by the very challenging requirements of the experiment

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Transmis

sion (%)

Wavelength (nm)

Theoretical transmission from Fresnel losses

95 crystal98 crystal

CERN-ISTC collaboration

• Implementation of a new technology for large ingots • Allows endcap crystals (larger) to be grown • Allows higher productivity for barrel and endcaps • CERN-ETHZ contract for 26’000 barrel crystals • Additional contract for 16’000 endcap crystals

The PET (Positron-Emission Tomography) principle

Detect 511 keV photons from e+ e- annihilation

Scintillator requirements for Tomography • High density (Z and ρ)

• High stopping power (ρ ) for 511 keV photons • Good photoelectric conversion efficiency (Z)

• Larger field of view • Better image contrast • Larger sensitivity • Better spatial resolution • Reduced dose to patient

• High Light yield

• Better energy resolution and Compton rejection • Increase sensitivity, position and time resolution

• Short decay time

• Reduce dead time and increase count rate • Better coincidence timing resolution and scatter rejection • Better sensitivity • Better image contrast • Reduced dose to patient

• Very good timing resolution

• Allows tighter reconstruction of origin of annihilation

• Affordable price • Challenging topic for Ph. D. work

New developments Spin-off for Medical Imaging

• PET Tomographs provide functional imaging for • Fundamental research

• Cognitive science • Psychiatry • Transgenesis

• Clinical applications • Oncology and monitoring of cancer therapy • Heart diseases diagnosis

• Pharmacokinetics studies

• New developments: combination with other imaging techniques (e.g.: NMR, Ultrasound) • Precision Timing measurement ( <100 ps) to reduce acidental

coincidences • Miniaturized signal processing for LHC experiments likely to be applied

to the next generation of medical Imaging Technology

New Scintillators for Nuclear Medicine

Scintillator Density

ρ (g/cm3)

Light Yield

Ph/MeV

Peak emission

λ (nm)

Decay Time

τ (ns)

Hygroscopic

YAlO3 :Ce(YAP) 5.55 16 000 350 30 No

Gd2SiO5 :Ce(GdSO) 6.7 8 000/1 000 440 60 / 600 No

Lu2SiO5 :Ce(LSO) 7.4 27 000 420 40 No

LuPO4 :Ce(LPO) 6.2 13 000 360 24 No

Lu3AL5O12 :Ce(LuAG :Ce) 6.67 3 000/11 000 300 / 500 100 No

Lu3AL5O12 :Sc(LuAG :Sc) 6.67 22 400 275 610 No

LuAlO3 :Ce(LuAP) 8.34 9600 380 11/28 No

HADRONISCHE ENERGIEMESSUNG

• KONZEPT : wie für elektromagnetische Kalorimetrie, anstelle e.m WW ⇒ starke WW • PRAXIS : Komplexe Kern – und Teilchenphysik beeinflussen in

entscheidender Weise die Qualität der Messung • KOLLISION an ABSORBER – KERNEN : typische Beschreibung ~ 50% der Energie in ‘schnelle’ Sekundär- Hadronen ~ geladene und neutrale Pionen ⇒ diese schnellen Hadronen treiben die

hadronische Kaskade weiter ⇒ N. B : neutrale Pionen ⇒ Photonen ⇒ e.m

Kaskade ~ 50% der Energie in niederenergetische Kernprozesse :

Kernanregung, Evaporation, Spallation,.. ⇒ 1 ≈ 20 MeV Protonen, Neutronen, Photonen ⇒ BINDUNGSENERGIE-VERLUSTE bedeutet nicht-messbare Energie !

Hadronische Wechselwirkung

Streamer Chamber photograph of 300 GeV pion hadronic interaction, showing large number of secondaries with relatively small transverse momentum

Vereinfachtes Bild der Entwicklung einer hadronischen Kaskade

Geladenes Hadron Neutrales Hadron (n, π0 → γγ)

Vielteilchenproduktion an Kernen in einem

hadronischenKalorimeter

N.B. π0 Production transferiert Energie von der hadronischen Kaskade in die e.m. Kaskade: funktioniert wie eine Diode

EIGENSCHAFTEN der HADRONISCHEN KASKADE

CHARAKTERISTISCHE EIGENSCHAFTEN HADRONISCHER KASKADEN

ABSORPTION VON HADRONEN

2/.

0

cmAtomedZahl

aABS dxnII ⋅−=∆ σ

= Wechselwirkungsquerschnitt für Absorption ABS

σ

)Mol/g(A)Mol/Atome(N

n La

ρ⋅=

NL …LOSCHMIDTSCH ZAHL = 6.022 X 1023 Mol-1

TOTALER WECHSELWIRKUNGSQUERSCHNITT

ABSORPTIONS W.W. QUERSCHNITT

WW QUERSCHNITT FÜR ELASTISCHE STREUUNG

....tσ

...ABS

σ

...ELσ

ELTOTABS σσσ −=

)n ( expII axABS0σ−=

1aABSABS)n ( −σ=λ “Absorptionslänge”

1a

TOTKOLL)n( −σ=λ “Kollisionslänge”

CHARAKTERISTISCHE EIGENSCHAFTEN HADRONISCHER KASKADEN

Das Konzept der Absorptionslänge/ Kollisionslänge ist analog zum dem Konzept der ‘Strahlungslänge’; hadronische WW ersetzt die elektromagn. Wechselwirkung

SKALIEREN DER HADRONISCHEN KASKADE

• ABSORPTION

dXN N N AABS O σ=∆

1AABSABS )N.( −= σλ

)(-x / expN N ABS O λ=

Charakteristische Länge: ‘Absorptionslänge’ Breite der Schauer : <pT> ~0.4 GeV/c Streuung von Neutronen

TEILCHENSPEKTRA IN EINER HADRONISCHEN KASKADE

-100GeV Protonen in Pb -Integral jeder Verteilung gibt relative Fluenz

Energieauflösung von Hadronkalorimetern • in hadronischen Kaskaden wird ein bedeutender Teil der

Energie des einfallenden Teilchens in 'nicht sichtbare' (d.h. nicht messbare Energie) umgewandelt • a) Emission yon Nukleonen, verbraucht Bindungsenergie;

dies kann ein sehr hohe (≤ 30%) Bruchteil der Gesamtenergie sein;

• b) in der Kaskade werden durch Teilchenzerfall (z.B. π → μv) Myonen und Neutrinos erzeugt, welche nicht im Kalorimeter absorbiert werden und zur 'nichtsichtbaren' Energie beitragen.

• in hadronischen Kaskaden werden neben geladenen Pionen auch neutrale Pionen erzeugt, welche jedoch nach sehr kurzer Zeit (~10-15 bis 10-14 Sek) in zwei Photonen zerfallen: πo → γ γ. In jeder hadronischen Kaskade wird also auch eine EM Kaskade entstehen.

• Diese Komponenten sind energieabhängig, wie Modellrechnungen zeigen (und folgen natürlich auch aus der Physik der Kaskade : je höher die Energie, umso höher die Anzahl der Kollisisonen, umso höher die Zahl der erzeugten neutralen Pionen )

CHARAKTERISITISCHE KOMPONENTEN : ENERGIE-ABHÄNGIGKEIT

• geladenes Hadron ⇒ ⇒ neutrales Pion: hadronische Energie in elektromagnetische Energie transferiert; ist ein ‘Ein-Weg-Prozess’, wie in einer ‘Diode’

• e.m Komponente steigt mit zunehmender Energie an

HADRONISCHE ENERGIE AUFLÖSUNG

AUFLÖSUNG: dominient durch Fluktuationen in der Produktion neutraler

Pionen ⇒ e.m Kaskade SIGNALVERHALTEN: bestimmt durch niederenergetische Neutronen und

Photonen, die i.A sehr verschiedene Signale relativ zu schnellen geladenen Teilchen verursachen ⇒

Anteil der hadronischen Kaskade kann abgeschätzt werden mit ‘e / h’ – Verhältnis : i.A. nicht ~ 1, sondern ~ 1.4

2 4 6 8 10 12

10 GeV π+(-)

10 GeV electron

Contributiondue to e.m.component

Signal (in energy units) obtained for a 10 GeV energy deposit[GeV]

‘e/h’ : INDIKATOR für das VERHALTEN der HADRONISCHEN KASKADE

• ‘e/h’ = 1 Kalorimeter linear als Funktion der Energie

Energieauflösung (intrinsisch)

• ‘e/h’ ≈ 1.4 [typisch] - nicht linear

• Sampling Fluktuationen

GeV][ E 0.2 E/ -1/2≈σ

-1/2 E 0.45 E/ ≈σ

1/2MeV (GeV)] E/e[ 0.09 E/ ∆≈σ

CDHS 1981 (Fe/scintillator)

HELIOS 1987 (U/scint.)CDHS (after off-line weighting)

WA 78 1987 (U/scint.)

CDHS 1981 (Fe/scint.)

HELIOS ( 238U/scintillator)CDHS (after off-line weighting)

WA 78 (238U/scintillator)

ENERGY RESOLUTION

SIGNAL LINEARITY FOR π- DETECTION

a)

b)

1.0

1.1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

0 20

10 10050 200

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220E (GeV)

Eπ (GeV)

Abstimmung von e/h : Optimierung der Auflösung

Neutronen sind Mass für den hadronischen Anteil in der Kaskade; der Signalanteil kann durch die Dicke des Neutronen-empfindlichen Szintillators beeinflusst werden:Neutronen werden in einem Bruchteil eines Millimeters Des Szintillators absorbiert;bei grösseren Dicken bleibt der Anteils des Neutronen- Signals unverändert, der der geladenen Teilchen wächst mit der Dicke linear an Der Einfluss der Fluktuatian der neutralen Pionen wird kompensiert und Energieauflösung verbessert:

-1/2 E 0.2 E/ ≈σ

TEILCHENIDENTIFIKATION mit KALORIMETERN

KALORIMETERAUSLESE : KRITERIEN UND METHODEN

AUSLESEKRITERIEN • Linearität; Rauschen; Uniformität Zeitverhalten; räumliche Granularität; Kalibrationsmöglichkeit; Stabilität;… ⇒ Messgenauigkeit für LHC Experimente: ≤ 0.5% bei hohen

Energien es gibt keine ‘beste’ Auslesemethode; nur eine dem

Messproblem optimal angepasste Methode AUSLESEMETHODEN • Optische: Szintillation (Kristal, Szint./Metall) Cherenkov (Pb – Glas; Quartz – Fiber/ Metall) • Ladung: Gas-Detektoren (MWPC; ‘Streamer’ Röhren..) Ionizationsdetektoren Flüssig Ar, Kr, Xe Si – Detektoren (für NLC studiert)

AUSLESEMETHODEN : SCHEMATISCH

Moderne Aspekte: Unkonventionelle Auslesegeometrien um experimentelle Anforderungen und/ oder Kosten zu optimieren

AUSLESE VON SZINTILLATOR SANDWICH MIT “WELLENLÄNGENSCHIEBERN”

- SZINTILLATORLICHT – DURCH INTERNE REFLEKTION – AN RAND DER SZINTILLATORPLATTEN GELEITET - ÜBER LUFTSPALT (OHNE OPTISCHEN KONTAKT!) TRITT LICHT IN DEN WELLENLÄNGEN-SCHIEBER - LICHT WIRD MIT HOHEM WIRKUNGSGRAD ABSORBIERT UND BEI LÄNGEREN WELLENLÄNGEN λ RE-EMITTIERT - ca.16% DES LICHTES DURCH WELLENLÄNGEN-SCHIEBER IN PHOTOMULTIPLIER

Emission im Szintillator (PBD), Absorption und Emission im Wellen- Längenschieber (BBQ) als Funktion der Wellenlänge

Das weltbeste hadronische Kalorimeter: Zeus bei HERA/DESY

Physikprogramm: Präzisions- Messung der tief-inelastischen Streuung: Struktur des Protons: Präzisions-Messung von Quarks, i.e. Jets Szintillator/Uran-Platten Mit ‘Wellenlängen-Schieber Auslese; 3-fach longitudinal unterteilt Zur Elektron/Hadron Diskriminierung Auflösung : σ / E ~ 0.35 /√ E (GeV)

BEISPIEL für KALORIMETER OPTIMIERUNG

EM Kalorimeter: Flüssig Argon: Hohe Granularität Hohe Strahlenhärte Hadaron-Kalorimeter Fe-Szintillator : Kleinere Granularität Kleinere Strahlenhärte

DIE AKKORDEON-GEOMETRIE: TRICKS mit ELEKTRODEN..

DETAILS der AKKORDEON GEOMETRIE

ATLAS AKKORDEON: TRANSVERSALE und LONGITUDINALE GRANULARITÄT

Strips : für Lokalisier- ung von Schauern;z.B Photonen von Higgs → γγ 2-fache long. Segmen- tation für em/Hadron- Schauer Diskrimination

The ATLAS Electromagnetic LAr Calorimeter

The first half EM Barrel Calorimeter Cylinder during insertion into cryostat

• Was extensively tested and and commissioned using Cosmics n

Mass resolution (mH=100 GeV, high Luminosity):

ATLAS : 1.3 GeV CMS : 0.7 GeV (crystals)

mσ1 ~

BS

Acceptance ( ): ≈ 25% larger in ATLAS

CMS: -- B= 4T : 30% of γ → e+e- lost, some others in the tails of mass spectrum -- no longitudinal segmentation of ECAL → vertex measured from tracks in barrel Note : σZ ~ 5.3 cm at LHC

CMS, full simulation high Luminosity Photons from H → γγ

ATLAS, full simulation Vertex resolution using EM calo longitudinal segmentation

Photons from H → γγ

(ATLAS) B

S 1.1 ~ (CMS) B

S

binmass εεγ ×

UNKONVENTIONELLE GEOMETRIEN : ATLAS TILE CAL

• MESSAUFGABE : • Messung der hadronischen Energie hinter Akkordeon Kalorimeter Auslese des Szintillator-Plättchen mit

‘Wavelength Shifter’ Fibern (WLS) • Energieauflösung: dE/E ~ 0.5 /√E ; ok • Interessante Ereignisse haben hohe (≥ 200 GeV) Energien; Energieauflösung ausreichend gut •Wichtig war ökonomische Konstruktion ⇒Szintillator / Metall aber unkonventionell

Sandwich in Teilchenrichtung.

Atlas Tile calorimeter: Einsetzten der WLS Fibern

ATLAS Tile Calorimeter pre-assembly

LAr hadronic end-cap calorimeters during assembly The LAr hadronic end-cap series production finished, all 134 modules (including spares) have been completed.

BEISPIEL für AUSLESE mit PROPORTIONAL-KAMMERN ALEPH ELEKTROMAGNETISCHE KALORIMETER

Diese Auslesemethode wird häufig zur Instrumentierung sehr grosser Detektoren ( z.B. Neutrino-Detektoren) verwendet, da relativ billig

TIEF-TEMPERATUR – KALORIMETER

MOTIVATION • Genaue Meßung kleiner (0.1ev – 10keV) Energiebeträge für WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, Kandidaten für Teilchen,

welche Dunkle Materie sein könnten); energetische Photoenen (multi-eV -Bereich) in Astronomie

• LÖSUNG

• Detektoren, deren ‘fundamentale’ Anregung sehr niederenergetisch ist;

z. B -Phononen im Kristall (~ μeV) -Aufbrechen von Cooper – Paaren in Superleitern (≤ meV) • RESULTAT

Verbesserte Energieauflösung ⇒ Röntgenastronomie

BEISPIEL 1 : TIEF-TEMPERATUR - BOLOMETER

• Sehr aktive F & E; mehrere Methoden aktiv studiert • Beispiel : Tieftemperatur – Bolometer

• Meßprizip : Temperaturanstieg • Debye Gestz für Wärmekapaz. C C (Gitter) ~ T3 ⇒Betrieb im mKelvin – Bereich ⇒Energie auflösung beeinflußt von Phononenfluktuationen σ(E)~ 1eV für ~ 1 keV Deposit

C / (Wame) Q (emp) T =∆

Ð +R

I

V

C

g

TB

Absorber

Thermometer

BEISPIEL 2 : DETEKTOREN für DUNKLE MATERIE SUCHE (Weakly Interacting Massive Particles; ‘WIMP’)

• Direkter Nachweis möglich durch gleichzeitige Messung von zwei der drei folgenden Parameter (um Untergrund ausreichend zu unterdrücken): • Szintillation • Ladung • Erwärmung

•

BEISPIEL 3 SUPERCONDUCTING TUNNEL JUNCTIONS (STJ)

Meßprinzip : • Energiedeposit bricht Cooper – Paare (‘Excess Carriers’, N0):

•Lokale Unterbrechung der Supraleitfähigkeit

• Junction ist Absorber und Detektor • z. B : in Ta für Photonen mit λ = 1 nm

[~1 keV] : N0 ~ 106 • Prototypen installiert im William Herschel Telescope • Revolution in der Astronomie

Nb optical data100

10

1

0.1

0.1 1 10 100 1000

0.01

0.001

Tantalum UV/Optical/NIR data

Tantalum array X-ray data Niobium STJ

Tantalum STJ

Molybdenum STJ

Hafnium STJ

Photon wavelength (nm)

CITIUS, ALTIUS, FORTIUS

FÜR ASTROTEILCHEN-STUDIEN • Atmosphäre als Kalorimeter : ~ 28 Xo; 16,6 λ Messung von Fluorenszlicht : Fly’s Eye, HiRes Messung von Cherenkovlicht : Hegra, Magic, Hess,.. In Zukunft

möglicherweise CTA Instrumente an Erdoberfläche : CASA, AUGER,… • Meer (See) wasser als Kalorimeter Messung von Cherenkovlicht : Anlage im Baikal-See, Nestor, Antaras, KM3NeT • Eis (Antartik) Messung von Cherenkovlicht : Armanda

Complementary Techniques

• Atmospheric Cherenkov/ Fluorescence Telescopes:

• Small Field of View • Low duty cycle • High rejection • High resolution

φ 1

φ 2

φ3

φ 4

8 meters

e µ γ

80 meters

50 meters

Milagro Cross Section Schematic 4 r.l.

16r.l.

Sampling experiments (Water Cerenkov, Particle Arrays,…) Large Field of View High duty cycle Poor rejection Poor resolution

Long term survey instruments Detailed study of a few sources

STACEE MILAGRO

TIBET ARGO-YBJ

PACT

GRAPES

TACTIC

VERITAS

MAGIC

H.E.S.S. CANGAROO

TIBET MILAGRO STACEE

TACTIC

Very High Energy γ-ray World

• Complementarities between imagers and survey instruments

- 85°

+65°

Galactic Centre

~6° Significance of γ-ray excess

2004-07, 40 sources, scale saturated at 20 σ

HESS Galactic Plane Survey Vertical Scale : 0.3 deg RMS ~ Molecular Gas

Neueste Entwicklungen

• H.E.S.S.-II: one 28m telescope (early 2009)

• Lower threshold in single telescope (∼ 10 GeV) (new source classes)

• Improved sensitivity in hybrid mode (∼ 50 GeV)

• Magic II: stereoscopic system (operational since Mid 2008)

• Stereoscopy!

Longer term perspective (I)

• Large observatories (CTA, AGIS) • > 50 telescopes • Factor 10 in performances • Increased energy coverage

Not to scale !

HIRES – the Air Shower Fluorescence Detector

• View of HIRES 2 site

• 2 sites, 12.5 km apart

• Stereo observation of showers

• Dugway proving grounds, Utah, USA

• 120o W, 40o N • Vertical

atmospheric depth 856 g/cm2

The Calorimeter With Air As Active Medium and Active Volume of More Than 1013 m3

The Active Volume of the Calorimeter • Detector is sensitive to UV-light produced by air showers • N2 fluorescence dominates up to 20 km altitude • Threshold energy for stereo observation is ~ 5x1017 eV • Showers with energy over 1019 eV trigger detector from up to 50 km • Aerosols in the air monitored by UV-laser shots (visible up to 50 km)

Air over desert of Utah

One of 21 Buildings at Hires 2 Site

• 2 telescopes with photomultiplier cameras in front of the mirrors are visible (total 42 telescopes at HIRES 2, 22 at HIRES 1)

The PM Cluster of the Telescope With UV-filter Open

• Similar telescope optics at both sites • ~ 1o solid angle per PM • HIRES 2 - FADC electronics samples

shower development every 100 ns (~ 30 m) • HIRES 1 – sample&hold electronics; 1

sample/deg • Photometric scale defined by calibrated light

source and cross-checked by the field fired UV-laser shots

• Stability of photometric scale monitored by UV-laser pulses distributed by fibers

High Energy Shower (~5.3x1019 eV)

• Next slides show examples of the well measured distant shower • Shower is viewed by both detector sites • Stereo reconstruction of the shower geometry • Errors: in distance of shower < 1%, in direction of shower axis < 1o • Longitudinal profile fit - Geisser-Hillas parameterization • The lower part on slides C, D, E shows the total measured signal and

deconvoluted contributions from the following light sources : scint - air fluorescence light generated by charged particles cerenk - Cerenkov light directly visible by telescope rayl - Cerenkov light scattered towards telescope by air

molecules aero - Cerenkov light scattered towards telescope by aerosols • The upper part shows the reconstructed longitudinal shower profile

(consistent with the above light sources)

High Energy Shower (~5.3x1019 eV)

• Results of the fit to the HIRES 1 measurement

• Upper part : reconstructed number of charged particles in the shower versus depth of the shower

• Lower part : measured number of photoelectrons versus depth of the shower

High Energy Shower (~5.3x1019 eV)

• Results of the simultaneous fit to the measurement by both HIRES 1 & HIRES 2 sites

• Two independent fits and simultaneous fit to measurement at both sites yield a consistent estimate of the shower parameters

Auger • Hybrid detector

• 1600 tanks over 1000 km2

• 4 fluorescence detectors with 6 telescopes each

1600 Water Č-Detectors

4 Fluorescence Sites

Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR)

• Energy spectrum • Composition • Direction

sola

r mod

ulat

ion

∝E−2.7, mostly protons

∝E−3.1,

> 10 orders of magnitude

30 o

rder

s of

mag

nitu

de

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∝E−2.7, mostly protons

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> 10 orders of magnitude

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Structures in the CR spectrum • Somewhat inconclusive picture • Different experiments/techniques • Many things to understand!

Knee 2nd knee? Dip/Ankle GZK?

The Greisen- Zatsepin- Kuzmin Cutoff

• Interaction of ultraenergetic cosmic rays (protons) with photons of the Cosmic Microwave Background, CMB) • For protons above production threshold (5* 1019 eV) • γCMB + proton → Δ + anything → proton (or neutron) + π

• Energy cutoff @ 1019.7 eV : extragalactic protons above threshold

traveling more than 160 Mly (million light years) should not reach the earth

GZK Cutoff ? • Energy cutoff @ 1019.7 eV • At the same energy, appearance of anisotropies (Anisotropy

signal maximum where flux divided by two) • Naturally leads to GZK interpretation

Auger results (February 2010): GZK Cutoff ?

Teilchenkomposition und Schauer-Maximum

Energie-Abhängigkeit des Schauer – Maximums

• Lmax = ln E (particle) • Schauer Maximum kann in den Fluoreszenz (oder Cherenkov)

Teleskopen gemessen werden

• Wenn Teilchen ein Kern mit Energie E aus N Nukleonen besteht

• Kern nach einigen wenigen Kollisionen in Nukleonen aufgebrochen • Lmax annähernd mit ln E/N

• Analyse des Schauer-Maximums gibt Hinweis auf Teilchenkomposition

der Höhenstrahlung

Auger results (February 2010): change in composition ?

Primary Energy (eV)

Indication of change of shower maximun location vs energy;could imply change in composition (from protons to iron; evidence is NOT conclusive!)

Perspectives (I) • Larger network for investigating the highest energies: Auger North +

JEM-EUSO Telescope on ISS (2013?) • Upgrade of existing networks (HEAT, AMIGA…) • Low energy extensions toward the knee (Tel. Array) • A lot of R&D in other detection techniques (Shower-initiated Radiowave-

Emission!)

Vertical Mode

Die vielen Facetten unseres Universums

Radio (atomic hydrogen)

Radio (molecular hydrogen)

Infrared

Optical

Hard X-rays (Integra

Gamma (GeV)

Gamma (TeV)

Softs X-rays

UHECR ??

Zusammenfassend • Viele verschiedene experimentelle Aktivitäten • Entwicklung von Konzepten, welche Verständnis der Quellen der kosmischen

Strahlung und Teilchenphysik jenseits der LHC Energien erlauben • Öffnung neuer Fenster ins Universum

71

2010 2000

ENERGIEMESSUNG : Zusammenfassung

Anwendung von Kalorimetern Auf Grund der Messeigenschaften Messung von neutralen und geladenen Teilchen Messgenauigkeit verbessert mit 1/ √ E sind Kalorimeter wichtige Bausteine für Teilchenphysik-Experimente Verständnis von Kalorimetern Physik der kalorimetrischen Energiemessung ist gut verstanden Erlaubt Optimierung der Messvorgänge ( Energie, Ort, Winkel) Entwicklung von Kalorimetern Vielfältige Entwicklungsarbeiten für den experimentellen Gegebenheiten

entsprechend optimale Instrumentierung Optimum : jeweils den Experimentierbedingungen angepasst Innovative neue Entwicklungen Tieftemperatur-Kalorimeter Mega-Kalorimeter für Kosmische Strahlungsforschung