Handout zum Masterseminar I Detektorensysteme

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1 Handout zum Masterseminar I Philipp Heil Juli pheil@students.uni-mainz.de

2 Inhaltsverzeichnis 2 Inhaltsverzeichnis 1 ATLAS Detektor 3 2 Arten von Teilchenvermessung 3 3 Transversal-Hermetischer Detektor 4 4 Anordnung der einzelnen Detektoren 5 5 Struktur des elektromagnetischen Kalorimeters 6

3 1 ATLAS Detektor 2 ARTEN VON TEILCHENVERMESSUNG 3 Der ATLAS-Detektor am LHC ist ein System aus mehreren Detektoren. Deshalb wird im Folgenden das Prinzip eines Detektorensystems am Beispiel von diesem Detektor erklärt. Es geht hierbei allerdings nicht darum die Funktion einzelner Detektoren zu beschreiben, sondern viel mehr darum, wie das System von Detektoren aussieht. Folgende Anforderungen sind an das Detektorensystem gestellt ˆ 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde müssen ausgewertet werden ˆ Photonen, Elektronen, Protonen, Neutronen, Pionen, Kaonen und Myonen müssen nachgewiesen werden ˆ Das System muss transversal 100% der Teilchen nachweisen (Hermetisches System) ˆ Die fehlende transversale Impulskomponente wird dem Neutrino zugeordnet ˆ Hohe Granularität strahlnaher Detektoren 2 Arten von Teilchenvermessung Man unterscheidet zwei Methoden zur Teilchenvermessung. Geladene Teilchen werden in sogenannten Spurendetektoren vermessen. Neutrale Teilchen hingegen in einem Kalorimeter (Siehe Abbildung 1). Der Unterschied beider Vermessungen liegt darin, dass (a) Vermessung geladener Teilchen (Spurendetektor) (b) Vermessung neutraler Teilchen (Kalorimeter) Abbildung 1: Zwei Arten von Teilchenvermessung bei einem Spurendetektor lediglich die Bahn eines Teilchens vermessen wird und somit dessen Energie und Ladung bestimmt werden kann. Trifft ein Teilchen auf Materie, so bildet sich ein Schauer aus. Dieser Schauer wird nun durch das Kalorimeter vermessen. Hier wird das einfliegende Teilchen im Gegensatz zum Spurendetektor vollständig absorbiert. Die zu vermessenden Teilchen haben unterschiedliche Eigenschaften. Deshalb

4 3 TRANSVERSAL-HERMETISCHER DETEKTOR 4 ist es nötig zwei Sorten von Kalorimetern zu verwenden. Die entscheidende Eigenschaft der Teilchen besteht darin, wie weit sie in Materie eindringen können, bis sie absorbiert werden. Man unterscheidet zwischen Absorptionslänge d, für Teilchen die der starken Wechselwirkung unterliegen und Strahlungslänge 1 X 0, für Teilchen die der schwachen Wechselwirkung unterliegen. Diese Längen geben an, wie weit sich ein Teilchenstrahl im Mittel in einem gewissen Medium bewegt, bis sich dessen Intensität auf 1 abgeschwächt e hat. Typische Werte sind 1 = 5, 6 mm Für ein Elektron in Blei x 0 (1) d = 17, 1 cm Für ein Proton in Blei (2) Um Proton, Neutron, Pion und Kaon zu vermessen, ist somit ein hadronisches Kalorimeter von Nöten, welches aus mehr Material bestehen muss als das elektromagnetische Kalorimeter für Elektron- und Photonvermessung. Abbildung 1(b) zeigt das Prinzip des elektromagnetischen Kalorimeters. Die durch Paarerzeugung entstehende Elektronen und Positronen ionisieren in diesem Fall flüssiges Argon. Durch eine angelegte Hochspannung lässt sich somit die Ionisation messen und die Anzahl der Teilchen in jeder Argonschicht bestimmen. 3 Transversal-Hermetischer Detektor Eine erste Idee einen hermetischen Detektor zu bauen ist in Abbildung 2 zu sehen. Die verschiedenen Detektoren sind Kugelförmig übereinander installiert. Man sieht einen Schnitt durch alle Detektoren. Allein die Versorgung und Auslese der Detektoren führt hier allerdings schon zu Problemen, da die Kabelverlegung es unmöglich macht jedes Teilchen zu registrieren. Um eine 100-prozentige Messung der transversal-fliegenden Teilchen zu bewerkstelligen, werden die einzelnen Detektoren, wie in Abbildung 3 zu sehen, Zylinderförmig übereinander geschoben und mit entsprechenden Endkappen versehen. Nur so können einzelne Detektoren und Magnete versorgt werden ohne, dass Versorgungsleitungen die Messung stören. Zudem ist jeder Detektor leicht erreichbar und die Magnetfelder im Inneren sind homogen. Eine Proton-Proton Kollision wird als Ereignis bezeichnet. Bei jedem Ereignis werden Abbildung 2: Kugelförmiger viele Teilchen erzeugt. Der Großteil dieser Teilchen Detektor streut allerdings nur in einem sehr kleinen Raumwinkel zum Strahlengang ab, sodass die longitudinale Impulskomponente nur sehr schlecht vermessen werden kann und man deshalb nur die transversale Komponente betrachtet.

5 4 ANORDNUNG DER EINZELNEN DETEKTOREN 5 (a) Anordnung der Detektoren (b) Schnitt durch Detektorsystem Abbildung 3: 100%-Messung transversal-fliegender Teilchen 4 Anordnung der einzelnen Detektoren Jeder Detektor hat einen speziellen Platz, an dem er sich im System befinden muss. Abbildung 4 zeigt die Anordnung der Detektoren vom Abstand des Kollisionspunktes der Protonen (Vertex). Da die Kalorimeter alle Teilchen absorbieren (bis auf Neutrino und Myon), müssen diese logischerweise hinter den Spurendetektoren angebracht werden. Wie oben erwähnt, brauchen Spurendetektoren ein Abbildung 4: Anordnung Detektoren Magnetfeld. Es besteht die Möglichkeit die Magnetspule entweder vor oder hinter den Kalorimetern anzubringen. Die Auflösung der Kalorimeter nimmt ab je mehr Materie sich vor ihnen befindet. Die Schauerbildung setzt bereits in dem Material des Spurendetektors und der Magnetspule ein. Deshalb ist es wichtig den Bau des Spurendetektors und Magnetspule mit möglichst wenig Materie zu realisieren. Positioniert man die Magnetspule hinter den Kalorimetern, so wird eine deutlich größere Spule benötigt, was wiederum sehr teuer ist. Beim CMS Experiment ist die Magnetspule hinter den Kalorimetern angebracht. Das hat eine direkte Auswirkung auf die Größe des gesamten experimentellen Aufbaus, da der innen liegende Teil nun kompakter gebaut werden musste. Myonen haben aufgrund ihrer hohen Masse gegenüber Elektronen eine weitaus längere Strahlungslänge. Sie durchdringen somit beide Kalorimeter und werden anschließend in einer Spurenkammer identifiziert und vermessen. Aus den unterschiedlichen Eindringtiefen (Gleichung 1 und Gleichung 2) wird auch klar, warum sich das elektromagnetische Kalorimeter vor dem hadronischen Kalorimeter befinden muss. der

6 5 STRUKTUR DES ELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERS 6 5 Struktur des elektromagnetischen Kalorimeters (a) Plane Anordnung der Schichten (b) Ansicht eines Moduls mit Akkordeonstruktur. Versorgung und Auslese erfolgt ber den Rand. Abbildung 5: Vergleich der Strukturen des elektomagnetischen Kalorimeters Bei näherer Betrachtung des elektromagnetischen Kalorimeters fällt auf, dass die Struktur des Detektors nicht, wie in Abbildung 1(b) zu sehen ist, aus planen Schichten besteht. Bei einer Anordnung wie in Abbildung 5(a) kann aufgrund der Hochspannungs- und Ausleseleitungen keine 100-prozentige Messung der Teilchen bewerkstelligt werden. Ordnet man die Module aus Abbildung 5(b) ringförmig an, können sämtliche Teilchen registriert werden ohne irgendwelche Leitungen zu passieren, da die komplette Ansteuerung über den Rand des Detektors geschieht. Abbildung 6 zeigt das auf diese Weise realisierte Kalorimeter. Alle Teilchen könne auf diese Weise registriert werden. Abbildung 6: eletromagnetisches Kalorimeter Akkordeonstruktur mit