Hadronen-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien. TeVatron

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1 Hadronen-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien TeVatron Seminarvortrag Wintersemester 2006/2007 Klaus Weidenhaupt Betreuer: Dr. Steffen Kappler

2 Übersicht TeVatron - Beschleunigerkette und Teilchenquellen - Betrieb und Leistung eines Speicherrings - Methoden zur Leistungsoptimierung am Tevatron Experimente am TeVatron - DØ-Experiment - Aufbau und Funktion der einzelnen Detektorkomponenten - Zusammenspiel der Detektorkomponenten - CDF-Experiment

3 Fermilab Fermilab: Batavia / Illinois / USA TeVatron: Inbetriebnahme 1983 Derzeit grösster Hadronenbeschleuniger mit 1.96TeV Schwerpunksenergie in p-anti-p-kollisionen Entdeckungen: - Bottom-Quark 1977 (Fermilab E70/E288/E494) - Top-Quark 1995 (CDF und DØ)

4 Beschleunigerkette am Fermilab H-Ionen in Cockroft-Walton Generator 750 kev Linac 150m 400 MeV Booster (Syncrotron 75m Ø) 8 GeV Main Injektor (1km Ø) 120 bzw 150 GeV TeVatron (2km Ø) 980 GeV

5 Protonenquelle Cockraft-Walton-Generator Linac

6 Antiprotonenquelle 120GeV Protonen auf Fixed-Target (Nickel) Anti-p aus statistischen See-Quark-Reaktionen (ca.20 Anti-p pro 10^6 p) Separation Focussierung Akkumulation (15-20h für 5x10^10 Anti-p) Nickel-Target

7 Speicherringe am Fermilab Speicherringe: - Booster - Recycler - TeVatron Komponenten: - Beschleunigung durch E-M-Wellen in supraleitenden Cavitys - Ablenken durch Dipolmagnete - Focussierung durch Quadrupolmagnete

8 Magnete am TeVatron Supraleiter: NiTi Kühlung: 10K mit flüssigem Helium TeVatron sc Dipol Querschnitt TeVatron Dipol/Quadrupol

9 Betrieb Ablauf: - Befüllen des Rings mit Bunches aus Vorbeschleunigern - Beschleunigen - Speichern und Kollidieren der Bunches Store (ca.7h) Strahlparameter am TeVatron Bunch Spacing :132 ns Bunchlänge : z =37 cm Strahlradius : x, y =39 m für Protonen x, y =31 m für Antiprotonen t=132 ns

10 Strahlführung Focussierung durch Quadrupolmagnete (Strahloptik) Periodische Quadrupole bewirken Oszillationen um Sollbahn Betatron-Schwingungen Lösung der Bahn-DGL : x s = s cos s d mit s = Betafunktion β aus Strahloptik Emittanz ε ist Konstante für ein Teilchen und abhängig vom Anfangszustand Maß für die Abweichung von der Sollbahn in Ort und Impuls

11 Luminosität dn p dt =L p L= L= Characteristische Grösse für die Leistungsfähigkeit eines Speicherrings Hohe Luminosität: - kleine Strahlquerschnitte am WW-Punkt (kleine Emittanz) - grosse Strahlströme Focussierung vor den Experimenten n B f rev N p N Anti p 4 x y n B f rev N p N Anti p 4 x x y y p =Wirkungsquerschnitt einer Reaktion p nb = Anzahl der Bunches f rev =Umlauffrequenz Np = Anzahl der Protonen pro Bunch N Anti p = Anzahl der Antiprotonen pro Bunch x, y =Strahlquerschnitt x, y Richtung x, y =Emittanz x, y x, y =Batafunktion x, y

12 Luminosität Luminosity Lifetime (L/2 in 7h) - Anti-p gehen verloren - Streung im Strahl, Syncrotronst. - Stösse mit Restgasmolekülen

13 Luminosität Grösstes Problem: ca. 10 mal weniger Anti-p Steigerung der Luminosität durch: - Recycling der Anti-p (70% aus TeVatron) - mehr Bunches (6x6 36x36 140x121) - aktive Emittanzkontrolle (stochastische Kühlung) Luminosität der letzten 5 Jahre Stochastische Kühlung

14 Electron Cooling Emittanz wird durch WW im Strahl grösser Kompensation durch gleichschnellen kalten e-bunch Coulomb Streuung bewirkt Energieaustausch wie in Plasmen Bunch to Bunch Korrektur durch Variation des Elektronen-Strahlstromes

15 Fermilab

16 DØ-Detektor Komponenten Tracking System Liquid Argon Kalorimeter Muon Detektor

17 Tracking System Sillizium Streifendetektor Central Fibre Tracker Solenoid Magnet

18 Silicon Microstrip Tracker Halbleiterdetektor: Aufbau aus Silliziumstreifendetektoren grosser WW-Bereich z =25 cm möglichst senkrechter Einfall Barrel-Disk-Struktur

19 Central Fiber Tracker Scintillierende orgarnische Fasern: dotiertes Polystyrol 835μm Ø Aufbau auf 8 konzentrischen Zylindern jeweils 2 Lagen axial, 2 Lagen 3 stereo Auslese über Lichtleiter in VLPC s Auflösung: 100μm pro Doppellaage

20 Solenoid Magnet 2 Schichtige Wicklung aus supraleitendem NiTi in Al Wicklungsdichte wird an den Enden grösser homogenes B-Feld Kühlung auf 10K mit Helium B-Feld: 2T bei 4800A

21 Liquid Argon Kalorimeter präzise Energiemessung Transversalimpulsbilanz Samplingkalorimeter Absorber: Uran, Kupfer, Stahl aktives Medium: flüssiges Argon 90K unterschiedliches Ansprechen auf Hadronen und E-M-Schauer (Kernbindungen, neutrale Teilchen) Kompensation durch Uranabsorber

22 Liquid Argon Kalorimeter Aufteilung in - E-M-Kalorimeter - feines und grobes hadronisches Kalorimeter Segmentierung nach Pseudorapiditäten = ln tan 2 =0,1 0,1 entsprechend Schauerbreite (E-M: 1-2cm, hadronisch: 10cm )

23 Preshower Detektor Kombination aus Spurdetektor und Kalorimeter Aufgabe: - Bindeglied zwischen Tracks und Schauern Aufbau: Lagen scintillierende Fasern mit Absorbern (Pb) 24 stereo

24 Myon System Spurmessung: Proportional Drift Tubes (PDT s) Mini Drift Tubes (MDT s) Scintillation Counters Messung von Impuls und Ladung: Toroid Magnet Impulsauflösung: 10-50%

25 Myon System Scintillation Counters: Zeit des Teilchendurchganges PDT s: Aluröhren mit Ar-Gemisch Driftzeitmessung max 500ns (Durchgangszeit durch Scintillatoren bekannt) Radialauflösung: 3mm Kathode längs Segmentiert MDT s: Aluprofil mit CF4-Gemisch kürzere Driftzeiten 40-60ns bessere Ortsauflösung: 0,7mm

26 Myon System

27 Detektor Performance Tracking System Vertexauflösung : 35 m z Richtung 15 m x, y Richtung pt Impulsauflösung : =0.14 % pt [GeV ] 1.5 % pt Kalorimeter Energieauflösung elektromagnetisch : Energieauflösung hadronisch : E 14 % = 1 % E E [GeV ] E 50 % = 4 % E E [Gev ] Myon System Impulsauflösung : p =18 % 0.2 p [GeV ] p

28 Eventdisplay x-y view R-z view

29 Trigger Bunch Crossing Rate: 2,5 Mhz 2-3 harte WW pro Bunch Crossing Reduzierung in 3 Stufen auf 50Hz Level1: (hardware) z triggering Transversalenergie Level2: Verbinden von Detektorkomponenten und Tracks Level3: Alle Detektorsignale Vorrekonstruktion des Events Offline Rekonstruktion mit CPU-Intensiven Algorithmen Teilchenidentifikation Anpassen der Triggerliste

30 Fermilab

31 CDF

32 Zusammenfassung TeVatron - Aufbau als Beschleunigerkette - Leistung durch Luminosität gegeben - Aktive Emittanzkontrolle zum Aufrechterhalten der Luminosität notwendig Experimente am TeVatron - DØ-Experiment - Aufbau und Funktion der einzelnen Detektorkomponenten - Zusammenspiel der Detektorkomponenten - CDF-Experiment Zusammenspiel von Beschleuniger und Detektor liefert neue Physik