Perspektiven der experimentellenHochenergiephysik - Teil 2
135.284
Claudia-Elisabeth Wulz
Institut für Hochenergiephysik derÖsterreichischen Akademie der Wissenschaften
c/o CERN/EP, CH-1211 Genf 23
Tel. 0041 22 767 6592, GSM: 0041 79 201 0919E-mail: [email protected]
http: //home.cern.ch/~wulz
Nov. 2002
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 kalorim.
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. Elektrische Pulse bis zu 1 bis 10 ns (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
Historische Beispiele: photographische Emulsionen, Nebelkammer, Blasenkammer
Auflösung < 1 m, kontinuierlich sensitiv, 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}
GeladenesV-Ereignis: K+ -> + +
cm Blei
Rochester & Butler, Nature 160 (1947) 855
Nebelkammer
Sensitiv nur während der Expansionszeit, lange Totzeit danach. 1952 durch Blasenkammer ersetzt.
Big European Bubble Chamber (BEBC)
Blasenkammerereignis (neutrale Ströme)
Proportionalkammern
104 bis 105 V/cm -> Anzahl der Sekundärelektronen ist proportional zur Anzahl der Primärionenpaare (≈ 105 / Primärionenpaar).
Gasgefüllt.“Quenching” - Komponente nötig, um die Ausbreitung von Elektronen bzw. Ionen zu stoppen.
Proportionalzählrohr
+V0
Signal
Anodendraht
Kathode
Charpak (1968, Nobelpreis 1993)Auflösung: ≈ 300-500 m, 30 ns
Multiwire Proportional Chamber (MWPC)
Äquipotential- und Feldlinien in MWPC
L ≈ 5-8 mm, d ≈ 1-2 mm, Drahtdurchmesser 20-40 m
Kathode
Anoden-drähte
Kathode
Nur 1 Koordinate durch Adressen der getroffenen Drähte!
Möglichkeiten zur 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)
Driftkammer
Ersatz von MWPC. Auflösung 100-200 m.
Szintillationszähler startet einen Timer (TDC) und definiert t0 .t1 ist die Ankunftszeit der Elektronen am Draht.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
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. Auflösung ca. 200 m. Elektrisches Analogon zur Blasenkammer.
Resistive Plate Chamber (RPC)
Abgeleitet von Proportionalkammern. Arbeitspunkt nahe dem Streamer Mode (starke Photonemission).
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
Elektron-Loch-Paare spielen die Rolle von Elektron-Ionen-Paaren in Gasdetektoren.
n p+ -
Abreicherungszoneohne Vorspannung
Abreicherungszonemit Vorspannung
p-n Übergang mitSperrspannung
Durch Anlegen einer Sperrspannung (ca. 100V) wird die dünne Abreicherungszone auf den ganzen Bereich ausgedehnt.Durch Energieabgabe in der abgereicherten Zone (durch geladene Teilchen oder Photonen) entstehen freie Elektron-Loch-Paare.Im elektrischen Feld driften die Elektronen zur n-Seite, die Löcher zur p-Seite - es entsteht ein meßbarer Strom.
Silizium-Mikrostrip-Detektoren
Diese werden als Präzisionstracker benützt. Sehr gute Auflösung, bis zu 5m (durch “Charge Division”).
Rauminformation durch Segmentierung der p-Schicht -> einseitiger Mikrostripdetektor. Doppelseitige durch zusätzliche Segmentierung der n-Schicht.
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 = _____________ z √ L/X0 {1+0.038 ln(L/X0)} 13.6 MeV
cp
X0 … Strahlungslänge z …. 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)% A 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 dei 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 < 2.5%!
e
K
p
Monte-Carlo
dE/dx im DELPHI-Mikrovertexdetektor
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 psp/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/cm2) 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
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.
Spiegel
Cerenkov-medium
DELPHI-RICH
Ein RICH mit 2 Medien erlaubt /K/p-Trennung von 0.7 bis 45 GeVz.B. in DELPHI und SLD
DELPHI-RICH
2 Teilchen in einem Hadronjet aus einem Z-Zerfall im gasförmigen und flüssigen Cerenkov-Medium.
/K - Trennung
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.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)