Teilchenphysik für Fortgeschrittene Detektoren und Experimente

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1 Teilchenphysik für Fortgeschrittene Detektoren und Experimente Peter Schleper Wintersemester 2010 Detektor-Konzepte e + e - Experimente bei PETRA, LEP, Linear-Collider e +- p Experimente bei HERA pp Experimente am SPPS, Tevatron und LHC Detektoren Spurkammern: Driftkammern, TPC, Si-Detektoren Kalorimeter Daten-Analyse Trigger, Mathematische Algorithmen P. Schleper Teilchen II 1

2 Teilchen-Nachweis Ziel: Messung aller einzelner Quanten, die entstehen Energie, Impuls, Masse, Ladung, Lebensdauer Identifizierung der Teilchensorte Rekonstruktion von kurzlebigen Teilchen aus ihren Zerfallsproduktion Rekonstruktion des Prozesses a+b c+d+... Rückschluss auf Feynman-Diagramme Rückschluss auf Lagrange-Dichte: Teilchen, WW, Symmetrien, Naturkonstanten Bethe-Bloch Formel: Vielfachstreuung in Materie Energieverlust MIPS: ~2MeV/cm (in Wasser) Nachweis nur über elektromagnetische WW Umwandlung kinetischer Energie Ionisation (Bethe-Bloch) Licht- Signale: Photos, Photomultiplier, Photodioden, Elektronische Signale (benötigt Verstärkung) Schwache WW viel zu selten (kein direkter Neutrino-Nachweis) Starke WW (nur für Hadronen) sehr häufig, indirekter Nachweis über neu entstehende Hadronen P. Schleper Teilchen II 2

3 CMS Experiment Compact Muon Solenoid Experiment CERN-LHC Higgs, Supersymmetry, LED P. Schleper Teilchen II 3

4 Teilchen-Identifikation (CMS Dektektor) P. Schleper Teilchen II 4

5 Simulation of event in the CMS detector: Low luminosity P. Schleper Teilchen II 5

6 Commissioning CMS Myon System CMS with Cosmics P. Schleper Teilchen II 6

7 Silizium Spur-Detektor Streifen Detektor: 220 m 2 Si, Module 10 Mill. Streifen TEC R3 Modul P. Schleper Teilchen II 7

8 CMS Experiment am P. Schleper Teilchen II 8

9 Spur-Detektoren Ziel: Verfolge Teilchen-Bahn durch viele Einzelmessungen Magnetfeld zur Impulsmessung Ionisation de/dx zur Messung der Geschwindigkeit Messung sekundärer Zerfälle zur Bestimmung von Lebensdauern und Teilchenidentifikation Detektor-Design: Wenig Material, da Teilchenbahn nicht gestört werden soll Detektoren nahe am Entstehungsort: Sekundäre Vertizes Hohes Magnetfeld Impulsmessung Hohe Ortsauflösung Impulsmessung 3-d Bilder der Reaktion Technische Lösungen: Gas-Detektoren: Blasenkammern, Streamer-Tubes, Heute: Driftkammern, Time-Projection-Chamber (TPC) Silizium-Detektoren P. Schleper Teilchen II 9

10 Gas-Detektoren Ionisation geladener Teilchen im Gas Drift der Elektronen zur Anode (Ionen zur Kathode) Gasverstärkung: Sekundär-Elektronen im starken E-Feld nahe am Draht Entstehung von Sekundär-Elektronen durch Stöße Entstehung von Photonen aus angeregten Atomen weitere Ionisation Messung der Bahn des Teilchens durch viele Drähte Impulsmessung: P. Schleper Teilchen II 10

11 PETRA Experiment Driftkammern aus mehreren Lagen Spurrekonstruktion Jade Spurkammer PETRA Experiment Entdeckung des Gluons P. Schleper Teilchen II 11

12 Driftkammer des H1 Experiments bei HERA Schauer aus Kosmischer Strahlung P. Schleper Teilchen II 12

13 Beschleuniger Collider HERA ep Tevatron pp LHC pp E CMS (GeV) Luminosity /(cm 2 s) LEP e+e- ILC e+e- CLIC e+e- Bunch- Abstand (ns) Bunch- Radius ( m) Bunch- Länge (cm) x x 8 700*5 40 * x P. Schleper Teilchen II 13

14 Driftkammern Signalhöhe: Ladungsträger * Sammlungs-Effizienz * Verstärkung Ladungsträger: de/dx nach Bethe-Bloch Formel, ca 30 ev je e-ion Paar Minimal ionisierende Teilchen (MIPS) ~ 100 e-ion Paare je cm Flugstrecke Sammlungs-Effizienz: Absorption der e durch Gas-Moleküle Edelgase (Ar) Gasverstärkung: E-Feld groß dicht am Draht (10 m Dicke) im Proportionalitätsbereich: einige 100 V Gasverstärkung ~ 10 4 Teilchen-Identifikation Schauer soll lokal bleiben: Photonen absorbieren durch CH 4... Raumladung: langsame Ionen schirmen E-Feld ab weniger Signal Rauschen: spontan erzeugte Ladungsträger (z.b. Synchrotron-Strahlung) elektronisches Rauschen, Schott-Noise, Ziel: Alterung: Hohe Ionisation nahe am Draht Bildung von Radikalen, Ablagerungen am Draht Signal kleiner Begrenzung der Gasverstärkung Gefahr zu hoher Ionisation große Ströme Drähte reißen P. Schleper Teilchen II 14

15 Driftkammern Ortsauflösung senkrecht zum Draht Pulsform des Stromes Abstandsverteilung der e vom Draht Statistik der Primär-Ionisation Diffusion Homogenität des E-Feldes /Driftgeschwindigkeit Sammelzeit der Ladung am Draht (wenige ns) Front-End Elektronik direkt am Detektor Auskopplung des Signals Verstärkung, Puls-Formung (Differenzierung) Pipeline: Datenspeicherung bis zur Trigger-Entscheidung Digitalisierung: Flash ADC Pedestal-Subtraktion und Noise cut (Signal > 3σ Noise) Zero-Suppression zur Reduzierung der Datenmenge Messung der Anstiegsflanke des Pulses Zeit Kalibration mittles Driftzeitspektrum vieler Teilchen T0 (Teilchendurchgang) Driftgeschwindigkeit (v Drift ~ 5cm/ s) Ortauflösung: m Driftzeit-Spektrum Front-End-Elektronik Puls-Form Pulshöhen-Spektrum P. Schleper Teilchen II 15

16 Driftkammern Impuls-Messung im Magnetfeld Meistens: Solenoid-Magnet: B-Feld Strahl Drähte Messung des Transversalimpulses P T Messung der Krümmung Messgenauigkeit Ortsauflösung einzelner Hits ( ) Anzahl der Hits (N) Spurlänge senkrecht zu B (L ) Falls Vertex bekannt: Begrenzte Auflösung bei großen Impulsen k =1 / Vielfachstreuung Material im Detektor Strahlrohr,Wände,Gas,Drähte,Kabel,... typisch X 0 begrentzt Auflösung bei kleinen Impulsen P Impuls-Auflösung: Beispiel: Zeus bei HERA: 72 Draht-Lagen, L ~ 0.7m Hits Mult.Sc. Kalibration +Alignment R gilt auch relativistisch P. Schleper Teilchen II 16

17 Driftkammern Messung der z-koordinate ( zum Strahl) Ladungsteilung an beiden Enden des Drahtes (Auflösung (z) ~5cm) Laufzeit der Signale zu beiden Enden ( (z) ~5cm) Leicht gekreuzte Drähte (typisch (z) ~0.5cm) Extra z -Kammern mit Draht-Segmenten senkrecht zum Draht (z) ~0.1mm, aber mehr Material Winkelauflösung: ( ) < 1 mrad Doppelspurauflösung Teilchen in Jets nahe beieinander Minimaler Abstand von 2 Hits am selben Draht ~ Pulslänge * v Drift ~ 1 mm Totzeit Signal-Länge und maximale Drift-Zeit der e: s Max. Driftzeit der Ionen: Rauladungseffekte Impact-Parameter Auflösung Primärer Vertex Primäre Bunch-Größe in x,y meist kleiner als Vertex Auflösung Messe Vertex als Mittelwert vieler Ereignisse Primäre Bunch-Länge in z: LEP: 1cm, LHC:7.5cm Rekonstruktion je Event Sekundärer Vertex: Späte Zerfälle b-quarks, (c,τ) Impact-Parameter (Abstand Spur-Vertex) Vertex aus mehreren Spuren Si-Detektoren nahe am Vertex βγcτ > 200 μm H1 Driftkammer mit z-kammern innen und Mitte P. Schleper Teilchen II 17

18 Pattern Recognition Musterekennung: Spurfindung aus vielen 1000 Hits Spuren Minimal Spanning Tree mit Fehlern Kalman Filter HERA: e-p Ereignis ZEUS mit Drift-Kammer und Kalorimetern P. Schleper Teilchen II 18

19 Time Projection Chamber (TPC) TPC: E-Feld B Großes Gas-Volumen ohne Drähte Drift zu den Enden der Kammer über einige Meter Messung nur an den Kammer-Enden, z.b. mit Draht-Kammern y B drift E Vorteile Diffusion durch B-Feld reduziert, denn Sekundärelektronen laufen in Spiralbahnen x-y Koordinaten sehr präzise Driftzeit als Maß für z-koordinate: z = Zeit * v Drift dz ~ 0.1 mm 3-dim Bild der Spuren mit einer Kammer Keine z-kammern und extra Wände gute de/dx Messung wenig Material, wenig Vielfachstreuung sehr gute Impulsauflösung Nachteile Sehr langsam, da lange Driftstrecke Anwendungen bei Collidern mit großen Abständen zwischen Kollisionen, e+e- Collider, Schwerionenphysik z x charged track P. Schleper Teilchen II 19

20 Time Projection Chamber (TPC) ALEPH Experiment bei LEP: e+e- bis E CMS = 208 GeV Größe: 4,7m x 3,6m, E-Feld: 110 V/cm, B-Feld = 1.5 Tesla 91% Argon + 9% CH4, Verlust an Sekundärelektronen 1%/Meter, Kanäle, 20 Hits/Spur, Hit-Auflösung: dx=dy=0.17mm, dz=0.6mm e+e- 2-Jets P. Schleper Teilchen II 20

21 TPC von ALEPH ( e+e- Z H qq bb Kandidat) de/dx Messung Auflösung für Sekundäre Vertizes: Zerfälle von b-quarks (c, tau) P. Schleper Teilchen II 21

22 ALICE TPC Quark-Gluon Plasma Zustand des frühen Universums mit Abstand Quarks << 1 fm und hoher Temperatur ALICE Experiment am LHC p-p mit E CMS = 7 TeV Bei-Blei mit E CMS = 574 TeV (2.76 je Nukleon) Typisch 1000 Spuren je Ereignis Auflösbar mit TPC P. Schleper Teilchen II 22

23 Halbleiter-Detektoren zentrale Komponente aller modernen Detektoren: Ortsauflösung mm, Zeit für Ladungssammlung ~ 5-10 ns Si: Halbleiter mit 1.1 ev Bandlücke Diode: pn Übergang in Sperrrichtung geschaltet Verarmungszone mit sehr wenig freien Elektronen/Löchern sehr kleiner Dunkelstrom Festkörper: Dichte groß, de/dx groß Teilchen erzeugt ein e-loch Paar je 3 ev Energieverlust (de/dx) e-loch Paare für MIPS in 0.3 mm Dicke Keine instrinsische Verstärkung notwendig Feine Segmentierung möglich: Ortsauflösung MIPS = minimal ionisierendes Teilchen (Bethe-Bloch) P. Schleper Teilchen II 23

24 Si-Halbleiter-Detektoren Si bei 300K: 1.5 x e - /cm 3 im Leitungsband (10-12 je Atom) Störstellen: e- Einfang oder e-loch Rekombination Fremdatome < /cm 3, Kristall-Defekte durch Teilchen-Wechselwirkungen Dotierung: p,n Material: /cm 3, p+, n+ Material: /cm 3 P. Schleper Teilchen II 24

25 Silicon-Detektoren Streifendetektor mit Gate-Ringen Pixel Detektoren: CMS: 100 x 150 μm Streifendetektoren: Abstand Streifen: Pitch ~ 100 μm Auflösung 1 Streifen: Pitch /sqrt(12) Lorentz-Winkel durch Magnetfeld Diffusion: Puls auf mehreren Streifen Schwerpunkt der Ladungsverteilung verbesserte Auflösung Vorteile von Si-Detektoren Doppelhit-Auflösung < 0.1mm Ideal für hohe Spurdichte Schnelle Signal da kurze Driftwege (25ns) Beste Auflösung: 5 25 μm Signal/Rauschen > 25 Ideal als Vertex-Detektor Nachteile Kühlung < -10 o wg. Dunkelstrom Mehr Material, Preis hoch P. Schleper Teilchen II 25

26 Komplettes Spurkammer-System aus Silizium-Det Wafer, 200 m 2 P. Schleper Teilchen II 26 CMS Si-Detektor

27 CMS Si-Detektor P. Schleper Teilchen II 27

28 CMS: p-p und Pb-Pb Kollisionen P. Schleper Teilchen II 28