KALIBRIERUNG VON ELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN LAURA KLASK RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM

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1 KALIBRIERUNG VON ELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN LAURA KLASK RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM SEMINAR ZU EXPERIMENTELLEN METHODEN IN DER KERN- UND TEILCHENPHYSIK - 7. JUNI 2013 KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 1

2 Inhalt 1 Einführung 2 CMS Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick 3 Ausblick PANDA geplante Schritte Testen des Kalibrierungsalgorithmus 4 Zusammenfassung Kalibrierungsschritte Genauigkeit KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 2

3 Motivation Warum ist die Kalibrierung eines el.-mag. Kalorimeters notwendig? Erreichen der gewünschten Energie- und räumlichen Auflösung der zu detektierenden Teilchen Es gilt: Teilchenenergie Signalstärke: Proportionalitätsfaktor abhängig von jeweils verwendeten Komponenten Ziel: Bestimmung eines Korrekturfaktors für jeden Kristall KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 3

4 Motivation Veränderung der optischen Eigenschaften der Kristalle Temperaturabhängigkeit der Ausleseelektronik einmalige, anfängliche Kalibrierung allein nicht ausreichend ideal: Online-Kalibrierung während der Messungen KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 4

5 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Elektromagnetisches Kalorimeter ECAL CMS - Compact Muon Solenoid am LHC 1 Barrel-Teil EB insg PbWO 4 -Kristalle 170 η-ringe mit je 360 Kristallen (ein Kristall: 1 in φ) bzw. 36 Supermodule mit je 1700 Kristallen Abdeckung: η < 1,5 Detektoren: APDs 2 Endkappen EE 4 D-förmige Halbscheiben mit je 3662 Kristallen Abdeckung: 1,5 < η < 3,0 Detektoren: VPTs zusätzlich: preshower-detektor ES KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 5

6 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Strategie sowohl Vor- als auch Online-Kalibrierung Ziel: gemessene Teilchenenergie E = F cluster cristalls G(GeV/ADC) C i A i mit F: Korrekturfaktor abh. von Teilchenart, -energie und Pseudorapidität G: Energieskalierung des ECAL C i : Interkalibrationskonstante A i : rekonstruierte Amplitude des ADC-Messsignals KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 6

7 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Vorkalibrierung Vor dem Zusammenbau am LHC: Messungen im Labor bei allen EB- und EE-Kanälen sowie Lichtausbeute der Kristalle Verstärkung der Photodetektoren Testbeam-Messungen bekannte Energie der Beam-Teilchen (9 EB-Supermodule, um 500 EE-Kristalle) Messungen mit kosmischen Myonen Position des wahrscheinlichsten Energieverlustes bekannt (alle EB-Kanäle) KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 7

8 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Vorkalibrierung Nach dem Zusammenbau am LHC: Verbesserung der Genauigkeit der Vorkalibrierung mithilfe von beam dump-ereignissen: Abbremsen des Strahls in Kollimatoren 150 m entfernt anschließend: Vorkalibrationskonstante c precalib i : gewichtetes Mittel der bisherigen Zwischenwerte KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 8

9 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Vorkalibrierung - Ergebnisse Genauigkeit der Vorkalibrierung je Kanal beim LHC start-up (7 TeV): EB um 0,5 % für die 9 Supermodule (Testbeam-Messungen) 1,5 % - 2,2 % (abh. von η) für die 27 anderen Supermodule EE < 1% für rund 500 Kristalle (Testbeam-Messungen) um 5 % ansonsten KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 9

10 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Online-Kalibrierung Finale Kalibrierung nach dem Zusammenbau am LHC C i = C precalib i c i Bestimmung der Interkalibrationskonstanten c i mithilfe von Kollisionsdaten: online bzw. in-situ φ-symmetrie π 0 und η (auch zur G-Bestimmung) Elektronen aus W eν und Z e + e (auch zur G-Korrektur) Haupt-Kalibrationsmethode, sobald L dt einige fb 1 aber: bisher gesammelte Datenmenge nicht ausreichend KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 10

11 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick φ-symmetrie Annahme für eine große Zahl minimum bias-events: Die insgesamt deponierte transversale Energie E T ist für alle Kristalle in einem Ring mit bestimmter Pseudorapidität gleich. Vergleich E T eines Kristalls durchschn. E T aller Kristalle mit selbem η Bestimmung von E T : Berücksichtigung von Energien in einem best. Bereich untere Schwelle: Rauschen herausfiltern festgelegt auf Basis des Rauschspektrums zufällig ausgelöster Events obere Schwelle: Vermeiden einer Verzerrung durch sehr hohe E T (z.b. aus W- oder Z-Zerfällen) KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 11

12 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick φ-symmetrie Angewendet auf rund 1, minimum bias-events c i für alle EB-Kristalle Bestimmung der Genauigkeit: c i -Verteilung für jeden η-ring Gauß-Fit Verteilungsbreite ist Maß für Genauigkeit der c i KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 12

13 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick φ-symmetrie Abbildung: Genauigkeit der aus der φ-symmertrie-methode erhaltenen c i in Abhängigkeit vom Ring-Index. [Par] KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 13

14 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick π 0 - und η-zerfälle Zusammensetzung: π 0 : 1 [ ] uu dd 2 relevante Eigenschaften [PDG]: Masse: m = (134,9766 ± 0,0006) MeV/c 2 betrachteter Zerfallskanal: π 0 γγ mit Wahrscheinlichkeit (98,832 ± 0,034) % Zusammensetzung: η : 1 [ ] uu + dd 2ss 6 relevante Eigenschaften [PDG]: Masse: m = (547,853 ± 0,024) MeV/c 2 betrachteter Zerfallskanal: η γγ mit Wahrscheinlichkeit (39,31 ± 0,20) % KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 14

15 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick π 0 - und η-zerfälle Betrachtung der Schwerpunktsenergie bzw. der invarianten Masse: m(γγ) = ( ) 2 s = P i i = (E 1 + E 2 ) 2 ( p 1 + p 2 ) 2 = E E 1E 2 + E2 2 p2 1 2 p 1 p 2 p 2 2 mit E 2 = p 2 + m 2 0 = p 2 = 2E 1 E 2 2 p 1 p 2 = 2(E 1 E 2 p 1 p 2 cosα 1,2 ) und E = p = 2E 1 E 2 (1 cosα 1,2 ) KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 15

16 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick π 0 - und η-zerfälle m(γγ) = 2E 1 E 2 (1 cosα 1,2 ) α 1,2 : Winkel zwischen den beiden Photonen Bestimmung aus der Auftreffposition im Kalorimeter m: ausreichend genau bekannt daher: Rekonstruktion von π 0 - und η-zerfällen geeignet zur Kalibrierung des ECAL KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 16

17 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick π 0 - und η-zerfälle Fit auf Verteilung der invarianten Masse: Summe aus Gaußfunktion und Polynom 4. Grades (BG) Abbildung: Verteilung der angenommenen Photon-Paare. [Par] KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 17

18 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Monitoring-System Z e + e zur Korrektur von G Lasersystem zur Überwachung der optischen Kristalleigenschaften aktuell : L so gering, dass die Veränderungen der Kristalltransparenz vernachlässigbar sind KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 18

19 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Abbildung: Verteilung der kombinierten Interkalibrationskonstanten (aus π 0 - und φ-symmetrie-methode) für Kristalle mit η-index 45. [Par] KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 19

20 Experiment Kalibrierungsstrategie Vorkalibrierung Online-Kalibrierung Ergebnisse Ausblick Ausblick Weiterführen der Kalibrierung größere Datenmengen von π 0 -Zerfällen ausreichende Datenmenge zur Auswertung von W- und Z-Boson-Zerfällen KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 20

21 geplante Schritte Testen des Kalibrierungsalgorithmus Vorkalibrierung geplante Durchführung: nach Endmontage und Temperierung 1. mittels kosmischer Myonen Position des wahrscheinlichsten Energieverlustes ist bekannt 2. mittels Teststrahl mit definierten γ-energien Überprüfung der Korrekturfaktoren aus 1. mithilfe der Vorkalibrierung soll eine Energieauflösung < 10 % erreicht werden KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 21

22 geplante Schritte Testen des Kalibrierungsalgorithmus Online-Kalibrierung geplante Vorgehensweise: Über Ereignisse aus der pp-annihilation mit bekanntem Signal: π 0 γγ η γγ Schwerpunkt auf π 0 -Zerfall aufgrund folgender Kriterien: hohe Produktionsrate bekannte Masse kleine Zerfallsbreite große Energieabdeckung der Zerfallsprodukte KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 22

23 geplante Schritte Testen des Kalibrierungsalgorithmus Monitoring-System Online, in Pausen zwischen Datennahme Lichtpulsersystem: Puls ähnlich Szintillationssignal von γ-ereignissen (mit γ-energien von 10 MeV bis 15 GeV) blaue LEDs, 455 nm Strahlenschäden der Transmissivität rote und grüne LEDs Detektieren von Veränderungen an bspw. optischen Kopplungen oder Ausleseelektronik KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 23

24 geplante Schritte Testen des Kalibrierungsalgorithmus Kalibrierungsalgorithmus Abbildung: Schematische Darstellung des Kalibrierungsverfahrens. [Roth] KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 24

25 geplante Schritte Testen des Kalibrierungsalgorithmus Simulation Generierung von Monte-Carlo-Ereignissen gemäß Dual Parton Model zur Untersuchung von Ereignisverteilung (sehr inhomogen, da Fixed-Target-Experiment) Ereignisraten Simulation der Vorkalibrierung (Genauigkeit < 10 %): Verschmieren der simulierten γ-ereignisse mit Faktor d i d i gaußverteilt mit σ = 0,1 Verschmierung der Auflösung um ca. 10 % KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 25

26 geplante Schritte Testen des Kalibrierungsalgorithmus Ergebnisse Abbildung: Signal des π 0 im m(γγ)-spektrum; schwarz vor der Kalibrierung, blau nachher. [Roth] Abbildung: Signal des η im m(γγ)-spektrum; schwarz vor der Kalibrierung, blau nachher. [Roth] KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 26

27 geplante Schritte Testen des Kalibrierungsalgorithmus Ergebnisse Nach Kalibrierung: schmalerer Peak korrekte Peakposition Literaturwerte: m π = 0, GeV/c 2 m η = 0,54785 GeV/c 2 Vergleich: vor nach Kalibrierung m π = 0,1218 GeV/c 2 σ( m π ) = 0,00772 GeV/c 2 m π = 0,1359 GeV/c 2 σ ( m π ) = 0,00645 GeV/c 2 m η = 0,498 GeV/c 2 σ( m η ) = 0,0301 GeV/c 2 m η = 0,551 GeV/c 2 σ ( m η ) = 0,0244 GeV/c 2 KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 27

28 Kalibrierungsschritte Genauigkeit 1. Vorkalibrierung nötig, um Startwerte für spätere Online-Kalibrierung zu erhalten Labormessungen + Messungen mit kosmischen Myonen oder test beams mit bekannten Energien erster Korrekturfaktor je Kristall KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 28

29 Kalibrierungsschritte Genauigkeit 2. Online-Kalibrierung Online aus Kollisionsdaten φ-symmetrie Zerfälle, z.b.: π 0 γγ η γγ W eν Z e + e Überwachung durch Monitoring-System KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 29

30 Kalibrierungsschritte Genauigkeit Erreichte Genauigkeit CMS PANDA Kalibrierung im Zentral-EB: 1,15 % 4,7 % (für 1 GeV-Photonen im Vorwärtsbereich des EMC) Ziel: < 2 % Abbildung: CMS: Kalibrationsgenauigkeit in Abhängigkeit von der Pseudorapidität. [Par] KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 30

31 Quellen Paramatti, R.: Calibration of CMS Electomagnetic Calorimeter at LHC startup, Journal of Physics: Conference Series , Roth, B.: Suche nach exotischen Resonanzen in der pp-annihilation und Kalibrierung eines elektromagnetischen Kalorimeters, Ruhr-Universität Bochum, Dissertation, Nakamura, K.: Particle Physics Booklet, extracted from the Review of Particle Physics, KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 31

32 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! KALIBRIERUNG VONELEKTROMAGNETISCHEN KALORIMETERN Seminarvortrag 7. Juni 2013 L. Klask 32