Vortrag LHC+ATLAS/CMS

Transkript

1 Vortrag LHC+ATLAS/CMS Im Rahmen der Vorlesung Detektoren in der Elementarteilchenphysik Gordon Fischer und Michael Volkmann

2 Überblick A: Motivation: Higgs Boson und SUSY B: Large Hadron Collider (LHC) C: Experiment 1: ATLAS D: Experiment 2: CMS

3 HIGGS-Teilchen Die Teilchen in den 3 Familien unterscheiden sich nur in ihrer Masse. Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten. Warum haben die Teilchen Masse? Antwort der Theoretiker: Higgs-Teilchen gibt allen Teilchen Masse Wie kann man das verstehen???? Masse Trägheit Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen, bevor er das Geld für den Large Hadron Collider locker macht..

4 Physikalische Prozesse zur Higgserzeugung Vielzahl von Erzeugungsmöglichkeiten Higgs koppelt an alle massiven Teilchen Häufigkeit stark von Masse des Higgs abhängig (unbekannt) Häufigster Prozess nicht der beste

5 Zerfallskanäle des Higgsbosons in Abhängigkeit seiner Masse

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7 Goldene Kanäle zur Higgssuche Ab 150 GeV entstehen geladene Leptonen Daher: em. Kalorimeter und Myonsystem wichtig!

8 Fermion Boson photon electron quark photino selectron squark vereinigt Bosonen mit Fermionen Kraft mit Materie Boson Fermion

9 vereinigt Kräfte und MX ~ 1014 GeV τp ein Vereinigungs-Punkt bei MX = GeV! ~ 1031 a Proton-Lebensdauer > exptl. Grenze leichtestes SUSY-Teilchen Dunkle Materie im Universum! beseitigt mathemat. Inkonsistenzen in der Theorie MX ~ 1016 GeV τp ~ 1038 a mpl

10 1.Der LHC Beschleuniger 27 km langer Ringbeschleuniger am CERN (früher LEP) Schwerpunktsenergie 14 TeV Kosten: 2,9 Mrd 4 große Experimente: ATLAS CMS LHCB ALICE

11 Der Large Hadron Collider (LHC) Ist ein 27 km langer Kollisionsring, der sich in einem 27 km langen Tunnel 100 m unter der Erde bei Genf (CERN) befindet.

12 Hier ist er.

13 Einige Daten (am Kollisionspunkt) -Protonenenergie -Relativistisches Gamma GeV γ= Anzahl der Teilchen pro bunch 1,1 10 -Anzahl der bunches transversale Emittanz gespeicherte Energie im Strahl 362 MJ 15

14 Schematischer Überblick pp-collider mit separaten Magnetfeldern und Vakuum kammern beide Strahlen teilen sich ca. 130m langes Rohr um die Wechselwirkungszone

15 Die Luminosität Anzahl der Events pro sec ist N event =L σevent Luminosität N 2b n 2b f rev γ r L= F 4 π εn β Am LHC wird es 2 Experimente mit hoher 1 (L=10,ATLAS, CMS) und zwei mit niedrig er 2 cm s (L=10 für LHCB & L=10 für ALICE) 2 2 cm s cm s 32 Luminosität geben.

16 Der Atlas Detektor A Toroidal LHC AparatuS 1. Durchbruch im Experiment Startet wie LHC Ende 2007 Laufzeit ca. 15 Jahre Durchmesser: 22m, Länge 46m Masse 7000t 80m unter der Erde Hauptziel: Higgs, Susy Kosten

17 ATLAS Inhalt Designkriterien Inner-Detector Kalorimeter Magnetsysteme Myonspektrometer Trigger Events

18 ATLAS Video

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20 Design Kriterien Hohe Präzision bei primary and secondary Vertex resolution Hohe Auflösung bei Transversalimpulsmessung von Leptonen Tau-Lepton Erkennung Schwere Quarks EM Kalorimetrie für Elektron/Photon mit hoher E-Auflösung Had. Kalorimetrie mit hoher E-Auflösung und auch für fehlende E. Eff. Myon-Impulsmessung mit Zeitauflös. < kleiner als LHC BC-Rate Hohe Akzeptanz der Pseudo-Rapidität (detektorabhängig) Triggering und präzise Messung für Teilchen mit kleinem Transversalimpuls (~20GeV/c²) hoffentlich möglich

21 Innerer Detektor Pixel Detektor Semi-Conductor Tracker (SCT) Transition Radiation Tracker (TRT) Umgeben von supraleitendem Central Solenoid Magnetsystem mit B=2T

22 Der Pixeldetektor 3 Zylinder von jeweils 4cm, 10cm, 13cm Radius 5 Scheiben mit Radien von 11 bis 20cm auf jeder Seite Pixel: 50μm x 300μm 8 10 Kanäle Bestmögliche Nähe zum WW-Punkt

23 Semi-Conductor Tracker (SCT) 8 je um 40μrad verdrehte Lagen von Si-Streifen Spurmessung mit Auflösung von 16μm transversal und 580μm in Strahlrichtung Vorwärtsrichtung zusätzlich 9 doppelte Scheiben mit gleich guter Auflösung in rφ Impulsmessung und Vertexposition

24 Transition Radiation Tracker (TRT) straw -Detektor Xenon gefüllt dünne Driftröhren Dazwischen Radiatorfolien (Übergangsstrahlung wird erzeugt) 36 weitere Spurpunkte mit Auflösung 170μm

25 Radiator Röhrchen Radiator Röhrchen

26 Kalorimetersystem EM Akkordeon Kalorimeter Hadronisches Platten-Kalorimeter Hadronic LAr End Cap Calorimeters (HEC) Forward LAr Calorimeters (FCAL)

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28 EM Akkordeon Kalorimeter Pseudo-Rapidität: η= - ln { tan(θ/2) } Blei Liquid Argon Kalorimeter 24 Strahlungslängen im Mittelteil und 26 StL. End Cap Teilchen durchlaufen vorher 2.3 StL. bei η= Kanäle

29 Hadronisches Platten-Kalorimeter η < 1,6 14mm dicke Eisenplatten als Absorber 3mm dicke Szintillatorplatten aus Polystyrol mit Zusatzstoffen C18H14 (1,5%), C24H16N2O2 (0,04%) (beide λ-schieber) Zylinder mit Innen-/Außenradius von 2,28m / 4,25m 1 mittlerer Zylinder mit Länge 5,64m und 2 anschließende Zylinder von 2,65m Länge (dazwischen 68cm Lücke für Auslese usw.) Jeder Zylinder 64 unabhängige Azimuthal-Module Alle 3 Zylinder sind unterteilt in 3 Lagen mit 1,4λ 4,0λ 1,8λ bei η=0 (λ ist die hadronische WW-Länge)

30 Hadronisches End Cap LAr Kal. (HEC) 2 unabhängige Scheiben konzentrisch um das Strahlrohr mit Außenradius 2,03m η < 3,2 (in EM-Kal. Kühlung integriert) Nahe Scheiben: 25mm Cu-Platten 2 äußere Scheiben 50mm Cu-Platten Jede Scheibe besteht aus 32 Modulen

31 Forward LAr Kalorimeter (FCAL) 3,1 < η < 4,9 (wieder in EM End Cap Kühlungsregler integriert) Nahe dem WW-Punkt starke Strahlung Daher hohe Dichte 9,5 X0, mit 3 Segmenten 1. Kupfer als EM-Kalorimeter Beide hinteren Teile aus Wolfram Mit Röhren in denen LAr als aktives Material FCAL: 3584 Kanäle insgesamt

32 Magnetsysteme Innen: 2,0T Central Solenoid (CS) (gleicher Vakuumbehälter wie EM-Kalorimeter) Außen: 3,9T Air-core Barrel Toroid (BT) 4,1T End Cap Toroid (ECT) ECT um 22,5 gegen BT gedreht, um Bahnkrümmung in Überlappregionen zu optimieren Jeweils 8 Spulen radial zum Strahlrohr Jeder der 8 BT Spulen besitzt eigenes Kühlungssystem ECT besitzt 2 große Kühlungssysteme Helium 4,7 K (auch CS)

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34 Myon Spektrometer (MS) 4 Bestandteile: Cathode Strip Chamber (CSCs) und Monitored Drift Tubes (MDTs) sind Präzisions-Spurkammern Resistive Plate Chamber (RPCs) und Thin Gap Chamber (TGCs) sind Teil des Level 1 Trigger Systems

35 Präzisionsspurkammern (CSCs und MDTs) 3 zylindrische Lagen in der Mitte 4 Scheiben in den äußeren Bereichen Jeweils 2 mehrfache Lagen von CSCs nahe dem WW-Punkt und 3 mehrfache Lagen von MDTs weiter außen CSC: multi-wire Proportionalkammern mit Ortsauflösung von 50μm MDT: cm lange Aluminiumröhre mit Durchmesser von 30mm Gefüllt mit Ar-CO2 Mischung, mit Einzelauflösung 80 μm Monitored optische Überwachung der mech. Verformung

36 RPCs und TGCs Narrow gas gap Chambers aus zwei widerstandsfähige Platten (isoliert) Gefüllt mit C2H2F6 und SF6 Mischung 2 Lagen von Strips zur Auslese (rechtw.) Orts- / Zeitauflösung 1cm / 1ns Multi-wire Porportionalkammern mit kleinem Abstand zwischen Kathode Anode CO2 und n-c5h12 Mischung Gute Zeitauflösung und zusammen mit RPCs Bildung von Triggerlevel 1

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38 Level 1 Trigger Hardware Trigger LHC produziert 40 MHz * 23 events = 960 MHz Reduziert auf ca. 75 khz Identifiziert Regions of Interest (RoI) Kein Tracking -> zu hoher Fluss Weiterleitung zu Level 2 RoI-Builder combiniert verschiedene Teildetektoren

39 High Level Trigger System (HLT) Nach LVL 1 trotzdem noch 160Gbyte/s Hochwertiges HLT nötig Bestehend aus Level 2 und Eventfilter Eventrate auf O(100)Hz reduzieren ca. 1,5 Mbyte pro Event Kapazität ca. einige hundert Mbyte/s

40 Level 2 Eingang 75 khz Schnelle aber limitierte Präzisionsalgorithmen Nutzt nur ca. 2% der Eventdaten (RoI) Aber: restliche Eventdaten bleiben in Pipeline Mittlere Rechenleistung nötig ca. 10 ms pro Event Ausgang 1 khz

41 Event Filter Eingang 1 khz Vollständige Eventdaten (keine RoI) Langsame aber genaue Präzisionsalgorithmen Sehr hohe Rechenleistung Ausgang 100 Hz ca. 1s Rechenzeit pro Event Eventspeicherung auf Band

42 Event selection Strategie Riesige Unterschiede in Größenordnungen der WQS σ (bb) = 0.6 mb inklusiv Rate 6 MHz inklusive W-Produktion 300 Hz γγ StM Higgs (120HGeV) Hz Unvoreingenommene und effiziente Algorithmen

43 Physikalische Trigger Objekte Elektron ( η <2.5) Schauer in LAr passend zu Track mit hohem pt Photon ( η <2.5) Schauer in LAr, Track Veto, Myon ( η <2.4) P und Q aus Myonsystem passend zu Tauon ( η <2.5) Hadronischer Zerfall, ev. Track Jet ( η <3.2) Kalorimeter+passende Tracks B-Jet <2.5) miss ET ( η ( η <4.9) Σ ET ( η <4.9) Gesamte Kal.-daten+ev.Myonsystem Isolationskriterium Track aus Inner Detector, Isolationskriterium Zusätzlicher Stoßparameter oder secondary Vertex Gesamte Kalorimeterdaten

44 Trigger Menu Benennungsschema: NoXXi (2e15i) (N: min. Anzahl der Objekte, o: Objekt, XX: Schwellwert, i: Isolationskriterium) Inclusive physics triggers (Basistriggersystem), Bsp.: 60γ i, 2 γ 20i für Zerfall des Higgs Prescaled physics triggers Bsp.: 1Tau, 2 Tau (verschiedene Schranken, für Z 2xTau) Exclusive physics triggers Bsp.: e20i+xe25 für W ev Monitor and Calibration triggers Bsp.: e25 Stellt Triggereffiziens für e25 dar

45 Abgelehnt!!!

46 muon muon Akzeptieren oder Verwerfen? Akzeptieren! Supersymmetrie u~r u + χ~10 ~ d L d + χ~20 d + µ + + µ + χ~10

47 Abgelehnt!!!

48 muon énergie énergie Akzeptieren oder Verwerfen? Accepter! boson Higgs W + H µ +ν µ bb

49 Fanartikel ( 3d-Viewer T-Shirts und Poster

50 Der CMS Detektor (Compact Muon Solenoid)

51 Überblick Motivation und Aufgabe Aufbau 2.1 Spurkammer 2.2 Kalorimeter 2.3 Das Magnetfeld 2.4 Myonenkammer 2.5 Trigger und DAQ

52 1.Der Detektor: Motivation und Aufgaben CMS ist komplementärer Detektor zu Atlas Unterschiedliche Designs garantieren bessere Untermauerung der Messdaten Hauptsächlich Nachweis von Myonen mit hohem transversalen Impuls, Elektronen und Photonen

53 2. Aufbau Wesentliche Elemente: zentraler Spurdetektor hochwertiges elektromagnet. Kalorimeter hermitesches hadronisches Kalorimeter hervorragender Myonendetektor

54 CMS - Längsschnitt

55 Querschnitt des CMS Detektors

56 2.1 Die Spurkammern Aufgaben: Spuridentifizierung Impulsmessung Vertexidentifizierung

57 Pixel Detektor 2 Schichten im Abstand (7 und 11) cm vom Strahl An Enden (6 und 15) cm Pixelschichten aus modularen Detektoeinheiten Jedes Modul hat eine Sensorplatte mit Read Out Chips (ROC)

58 Pixel Detektor Jeder Sensorpixel ist mit einer Pixeleinheit auf ROC Verbunden Die Daten werden gelagert und warten auf TriggerInformation Zellgröße ist 150x150 µm 2

59 Silikon Streifendetektor -4 innere Schichten -6 äußere Schichten -An den Enden jeweils 2 Endcaps -Blau: doppelseitig -Die Endcaps erfassen eine Pseudorapidität von η=2,5

60 z.b. Impulsmessung -Solenoid Feld krümmt Tracks in (r, Φ) Ebe ne -Impuls durch Krümmung im Magnetfeld ur -Bahn im B-Feld senkrecht zur Geschwindi gkeit -Spurrekonstruktion ergibt R p T=0,3 B R -Kombination des Spursystems mit äußerer Myonenkammer sehr hohe Genauigkeit

61 2.2 Die Kalorimeter Wie immer elektromagnetisch und hadronisch Elektronen, Photonen und Hadronen gestoppt und deren Energie gemessen wichtig ist die Vermessung von em. und hadronischen Schauern z.b. ein Higgsteilchen mit Masse ( )GeV zerfällt bevorzugt in 2 Photonen EM-Schauer Desweiteren Pre-Showerdetektor und Forwardkalorimeter

62 2.3 Das Magnetfeld Wahl des Magnetfeldes ist wichtigster Aspekt: starkes zentrales Solenoid-Feld (4 T) (Vermessung der Teilchenspuren geladener Teilchen) Rückflussjoch (zum weiteren Vermessen der Myonen)

63 CMS Baukasten

64 Erzeugung des Magnetfeldes magnetischer Fluss wird durch 1,5m dickes Eisenjoch umgekehrt Joch ist unterteilt in Barrelund Endcapregion Barrel (in 5 Ringe aufgeteilt) ist 13,20m lang und wiegt 7000t jeder Ring aus 3 Eisenschichten zentraler Barrelring ist der einzig stationäre alle anderen und die Endcaps sind beweglich (um die Myonenstationen warten zu können) Endcaps wiegen jeweils 2300t

65 Warum gerade so ein Magnetfeld? Wollen Impuls bestimmen hohe Auflösung entweder durch große Krümmungskraft oder sehr hoher Präzision im Aufbau des Detektors Für gleiche Krümmungskraft ist solenoide kleiner als toroidale Anordnung Wenn das Feld parallel zum Strahl, dann ist die Krümmung der Myonenspur in der zum Strahl senkrechten Ebene hohe Auflösung des Vertex in transversaler Position Starke Krümmung erlaubt Auszählen von Spuren, die vom Vertex kommen.

66 Das Magnetfeld Die Spule ist in einem Vakuumtank untergebracht In der Spule selbst befinden sich der Tracker, das elektromagnet. und das hadronische Kalorimeter

67 Magnetfeld des CMS Detektors

68 Vermessung der Myonen Myonendetektoren liegen hinter Spule 4 Myonenstationen liegen zwischen Eisenjochplatten Aufbau: konzentrischer Zylinder (um den Strahl) in der Mitte des Detektors und Scheiben senkrecht zum Strahl an den Enden des Detektors Absorbermaterial so dick, dass nur Myonen (und Neutrinos) in den Bereich kommen Aber Probleme mit dem Untergrund (z.b. hadronische Schauer durch harte myonische Bremsstrahlung) Deshalb 4 Stationen, von denen mindestens zwei ansprechen müssen

69 Drift Tubes dort wo Magnetfeld im Eisenjoch gefangen eingesetzt jedes Rohr enthält einen Draht Rohre in Schichten angeordnet nur Signale von Drähten wenn ionisierendes Teilchen durch Rohr Elektronen fliegen zum positiven Potential sehr genaue Vermessung der Ebene senkrecht zum Draht

70 Cathode Strip Chambers werden in Endcapregion verwendet (Magnetfeld groß und inhomogen) CSC sind Vieldrahtproportionalitätskammern jede Kathodenebene unterteilt in Streifen mit gekreuzten Drähten Lawinenbildung Ladung auf verschiedene Streifen sehr genaue Orts-und Zeitauflösung sehr schneller Detektor besonders geeignet zum Triggern

71 Resistive Parallel Plate Chambers schneller Gasdetektor Basis für Triggerprozeß sehr gute Raum- und Zeitauflösung 2 parallele Platten und Elektroden aus extrem widerstandsfähigem Plastikmaterial EM-Feld im RPC ist gleichförmig Elektronen machen Sekundärionisation detektierte Signal von allen Lawinen wird in Barrel- und Endcapregion eingesetzt

72 Trigger Geometrie (Myonkammer)

73 Das Trigger System 1 -CMS Trigger ist für L=10 cm 2s 34 ausgelegt -müssen die Rate 10 9/s um Faktor 107 auf 100/s reduzieren -CMS in 2 Schritten (Level1 und HLT) -Level1 speichert max. 3 µs nicht mehr als 100kHz HLT

74 Das Trigger System Vergleich der Bunch Crossing Frequenz

75 Das 2 Stufen Trigger System von CMS

76 Level1 Trigger- Datenfluss Muon Trigger Calorimeter Trigger 40 MHz pipeline, latency < 3.2 µs HF HCAL ECAL Regional Calorimeter Trigger Global Calorimeter Trigger MIP+ RPC Pattern Comparator Trigger CSC DT Local CSC Trigger Local DT Trigger CSC Track Finder DT Track Finder 4+4 µ 4µ 4µ ISO bits Global Muon Trigger e, J, ET, HT, ETmiss Global Trigger max. 100 khz L1 Accept 4µ (with MIP/ISO bits)

77 Trigger Strategie für Level1 -lokal: Messung von Energie in einz elnen Kalorimeterzellen Bestimmung von Spurpunkten im Myonendetektor -regional: Identifikation der Teilchensi gnatur Messung von p T,E T,... und der Ortskoordinaten -global: Sortieren nach p T/E T 4 beste jeden Typs Bestimmung der Summe E T,E miss T für 8 Schwellwerte

78 LVL1 HLT 40 MHz Clock driven Custom processors 100 khz Event driven PC network Totally software 100 Hz To mass storage two trigger levels Level-1 (~µs) 40 MHz High-Level ( ms-sec) 100 khz Event Size ~ 106 Bytes

79 Trigger Geometrie (Kalorimeter)

80 Unterschiede Atlas CMS

81 Quellen Atlas Technical Design Report, (CERN ) Diplomarbeit, Tobias Raufer (Uni Freiburg, 03/2003) Diplomarbeit, Ingo Reisinger (Uni Dortmund, 02/2006) Ein Universum voller Teilchen, Martin zur Nedden Atlas Experiment, P. Jenni (Vortrag am DESY HH, 02/2006) Die Higgs Suche, Stefan Kasselmann (06/2001) Detektoren in der Teilchenphysik, Martin zur Nedden (07/2006)