10.1 Das ALEPH-Experiment am LEP-Speicherring

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1 10.1 Das ALEPH-Experiment am LEP-Speicherring - ein Beispiel eines Detektors an einem e+e- Beschleuniger- e + e - Beschleuniger am CERN Betrieb: Phase I: s ~ M Z Die Betriebsparameter des Beschleunigers: Zeit zwischen zwei Strahlkreuzungen: ~ 1 µs viel Zeit um die Wechselwirkungen zu verarbeiten Anzahl der WW / Strahlkreuzung: ~ 0.01 kein pile-up Problem (kein überlagerten Ereignisse) Phase II: s 208 GeV Vier Experimente: ALEPH, DELPHI, L3 und OPAL Physik an e + e - Beschleunigern e + e - Beschleuniger sind hervorragend für Präzisionsmessungen geeignet: -e+ e - sind punktförmig, keine Substruktur - vollständige Vernichtung im Schwerpunktsystem, Kinematik festgelegt, saubere Ereignisse, Randbedingungen für Energie/Impulserhaltung

2 Physikalische Zielsetzungen Physikalische Fragestellungen + exp. Bedingungen am Beschleuniger (Raten, Signal-zu-Untergrund,.) bestimmen das Detektordesign LEP-Physik: - Vermessung der Eigenschaften der Z 0 -Resonanz - Suche nach neuen Teilchen (Supersymmetrische Teilchen,.) - Suche nach dem Higgs-Boson - Physik der Schweren Quarks (B-Mesonen, kein Top in Reichweite) Signaturen: - Geladene Leptonen: Elektronen, Myonen, Taus (identifiziert) - Photonen - Hadronen (Jets) - π/k-trennung nicht essentiell, aber hilfreich für viele Analysen, insbesondere für B-Meson-Zerfälle Wichtige Ergebnisse Elektroschwache Präzisionsmessungen: Alle Daten in Übereinstimmung mit dem Standardmodell der Teilchenphysik

3 Wichtige Ergebnisse Suche nach dem Higgs-Boson u. supersymmetrischer Teilchen: M H > GeV/c 2 (95% CL) m (SUSY-LSP) > ~ 45 GeV ALEPH: ein typischer LEP-Detektor Länge: Höhe: 11 m 9.3 m Gewicht: 3000 t Barrel + Endcap - Geometrie Magnetfeld im Inneren Bereich, erzeugt durch eine supraleitende Solenoidspule, Feldstärke: 1.5 T (Spurdetektoren und el.magn. Kalorimeter innerhalb des Magnetfeldes)

4 Der Silizium-Vertexdetektor Silizium-Streifendetektoren: Zwei Zylinderlagen, Radien von 9.6 und 11.3 cm, doppelseitige Sensoren, analoge Auslesekanäle Genauigkeit in (r-φ)-richtung: ± 13 µm Hauptaufgabe: Bestimmung der Lebensdauer kurzlebiger Hadronen (B-Mesonen), Rekonstruktion von Sekundärvertices Einige Messergebnisse: (i) Ansprechwahrscheinlichkeit = Effizienz Zahl der registrierten Spurpunkte / Zahl der möglichen Spurpunkte (Selektion guter Spuren, z.b. Z µµ) (ii) Auflösung des Stoßparameters (impact parameter)

5 Essential analysis tool: b-tagging (a) Distribution of the b-tagging variable for jets in data compared to the MC expectations ( s = m Z ) in 2000 (b) Relative difference between data and MC for jets opp. non b-tagged jets (red circles) and for jets opp. b-tagged jets (blue squares). (c) Distribution of the b-tagging variable for jets opp. to b-tagged jets in a sample of qqγ events. (d) same, but for jets in a sample of W + W - qq µ ν events Der Innere Spurdetektor -eine zylindrische Vieldrahtproportionalkammer- Länge: 2 m, zylindrische Kammer Radius: cm (von Strahlachse) 960 Signaldrähte, angeordnet in acht Lagen Ortsauflösung in (r-φ)-richtung: ±100 µm Messung der z-koordinate durch Laufzeitunterschiede an den beiden Enden der Drähte, Genauigkeit in z-richtung: ± 3 cm Hauptaufgaben: - Information über den Spurverlauf in der Nähe des Wechselwirkungspunktes (zur Unterstützung des Silizium-Vertexdetektors, historisch) - Liefert schnelle Informationen über Spuren geladener Teilchen für der Triggersystem

6 Die Zeitprojektionskammer - der zentrale Detektor von ALEPH- Innenradius: 31 cm Außenradius: 180 cm Länge: 4.7 m Zentrale Elektrode, zusätzliche feldformende Potentialstreifen auf den Innenmantel des Zylinders Hauptaufgabe: Impulsmessung der Spuren geladener Teilchen Die Zeitprojektionskammer (cont.) Auslese an den Endplatten mit Hilfe von Vieldrahtproportionalkammern Drähte verlaufen im wesentlichen in azimutaler Richtung (6336 Drähte) Kathodenplättchen (pads) hinten den Drähten Ortsauflösungen: (r-φ)-kooridinate: Drähte + pads: ~ 160 µm z-koordinate: Driftzeit: 1 mm Impulsauflösung: (Transversalimpulse) TPC alleine: σ(p) / p = p (GeV/c) TPC + Innere Spurkammer + Siliziumstreifen: σ(p) / p = p (GeV/c)

7 Die Zeitprojektionskammer (cont.) de/dx Messungen in der TPC > 150 Messungen / Spur Die Zeitprojektionskammer (cont.) Das Innere der ALEPH-TPC Die ALEPH-TPC von außen, nach Verkabelung

8 Die Zeitprojektionskammer (cont.) Laserspuren (Ionisation durch Laser-Licht) zur Kalibration der TPC: Beispiel der Laserkalibration (Bestimmung der Driftgeschwindigkeit) Das elektromagnetische Kalorimeter Innerhalb des Magnetfeldes, d.h. vor der supraleitenden Magnetspule Vorteil: keine Energieverluste el.magn. ww. Teilchen im toten Material der Spule möglichst gute Energiemessung für Elektronen und Photonen Aufbau: Sampling Kalorimeter aus Blei / Gas (Vieldrahtproportionalkammern), Füllgas: 80% Xe + 20% CO 2 Tiefe: 22 Strahlungslängen, gute laterale Segmentierung, Zellgröße: 1 o x 1 o, Segmentierung der Auslese: 3 x 3 cm 2 große Kathodenpads Energieauflösung: σ (E) / E = 17% / E 1.6 % ( E in GeV) (moderat) Ortsauflösung: σ x,y = 6.8 mm / E (E in GeV) (sehr gut) e/π Separation (aufgrund der Schauerform) π-unterdrückungsfaktor ~ 1000 für eine Elektroneffizienz von 95% Modul des elektromagnetischen Kalorimeters (Kurz vor der Installation)

9 Das hadronische Kalorimeter Aufbau: Sampling Kalorimeter aus Eisen / Gas (Streamer-Rohre), Füllgas: 13% Ar, 57% CO 2 und 30% Isobutan Segmentierung der Auslese: Anodendrähte + Kathodenstreifen Energieauflösung: σ (E) / E = 84% / E 3% ( E in GeV) (moderat) Ortsauflösung: σ x,y = 3.5 mm Hauptaufgaben: Energiemessung der Hadronen Rückflussjoch für den magn. Fluss Myon-Identifikation durch Signale in den hinteren Lagen Das hadronische Kalorimeter (Kurz vor der Installation) Das Myonsystem Doppellagen von Myonkammern außerhalb des hadronischen Kalorimeters Aufbau: Streamerrohre (Auslese: Anodendraht + Kathodenstreifen, wie im hadr. Kalorimeter) Gute Myonidentifikation zusammen mit dem el.magn. und hadronischen Kalorimeter (s. unten) ALEPH Myon-Kammern Gemessene Ladungsverteilung von 20 GeV Pionen und Myonen im ALEPH-Hadron-Kalorimeter

10 Beispiel einer e + e - Kollision, gemessen in der ALEPH-TPC e + e - e + e - Beispiel einer e + e - Kollision, gemessen in der ALEPH-TPC e + e - µ + µ

11 Beispiel einer e + e - Kollision, gemessen in der ALEPH-TPC 10.2 Das ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider

12 The Large Hadron Collider (LHC) Proton-proton accelerator in the LEP-tunnel at CERN p p 7 TeV 7 TeV - Highest energies per collision - Conditions as at times of s after the big bang Four planned experiments: ATLAS, CMS LHC-B ALICE Constructed in an international collaboration (pp physics) (physics of b-quarks) (Pb-Pb collisions) Startup planned for 2007 superconducting dipole magnets Important components of the accelerator - challenge: magnetic field of 8.33 Tesla - in total 1232 magnets, each 15 m long - operation temperature of 1.9 K LHC is the largest cryogenic system in the world Eight superconducting accelerator structures, acceleration gradient of 5 MV/m

13 The maschine status Lowering of the first dipole into the tunnel (March 2005). By now there are ~60 dipoles The magnet production proceeds very well and is on schedule, also the quality of the magnets is very good! On the critical path for the first collisions : installation of the LHC in the tunnel See : Status of the LHC machine Beam energy 7 TeV Luminosity cm -2 s -1 Bunch spacing 25 ns Particles/Bunch SC Dipoles 1232, 15 m, 8.33T Stored Energy 362 MJ/Beam Key components available Installation progressing in parallel and at high speed; aim to finish by end March 2007 Every effort is being made to have first collisions by end of 2007 A likely startup scenario: Late 2007: Proton run ~ pb -1 (for 10 pb -1 : number of tt events comparable to Tevatron with 1 fb -1 ) detector and trigger commissioning, calibration, early physics By end 2008: Physics runs: ~ 1 10 fb -1

14 Installation work, underground Preparation for installation, Hall SMI2 Physics at Hadron Colliders Protons are complex objects: Partonic substructure: Quarks and Gluons Hard scattering processes: (large momentum transfer) quark-quark quark-gluon scattering or annihilation gluon-gluon However: hard scattering (high P T processes) represent only a tiny fraction of the total inelastic pp cross section Total inelastic pp cross section ~ 70 mb (huge) Dominated by events with small momentum transfer

15 Proton proton collisions at the LHC Proton proton: 2835 x 2835 bunches Separation: 7.5 m ( 25 ns) protons / bunch Crossing rate of p-bunches: 40 Mio. / s Luminosity: L = cm -2 s -1 ~10 9 pp collisions / s (superposition of 23 pp-interactions per bunch crossing: pile-up) ~1600 charges particles in the detector high particle densities high requirements for the detectors Cross Sections and Production Rates Rates for L = cm -2 s -1 : (LHC) Inelastic proton-proton reactions: 10 9 / s bb pairs / s tt pairs 8 / s W e ν 150 / s Z e e 15 / s Higgs (150 GeV) 0.2 / s Gluino, Squarks (1 TeV) 0.03 / s LHC is a factory for: top-quarks, b-quarks, W, Z,. Higgs, The only problem: you have to detect them!

16 What experimental signatures can be used? Quark-quark scattering: q p q q q p No leptons / photons in the initial and final state If leptons with large transverse momentum are observed: interesting physics! Example: Higgs boson production and decay p q l q W ν W H l ν q q p Important signatures: Leptons und photons Missing transverse energy Detector requirements from physics Good measurement of leptons and photons with large transverse momentum P T Good measurement of missing transverse energy (E T miss ) and energy measurements in the forward regions calorimeter coverage down to η ~ 5 Efficient b-tagging and τ identification (silicon strip and pixel detectors)

17 Suppression of background: Reconstruction of objects with large transverse momentum Reconstructed tracks with pt > 25 GeV Detector requirements from the experimental environment (pile-up) LHC detectors must have fast response, otherwise integrate over many bunch crossings too large pile-up Typical response time : ns integrate over 1-2 bunch crossings pile-up of minimum bias events very challenging readout electronics High granularity to minimize probability that pile-up particles be in the same detector element as interesting object large number of electronic channels, high cost LHC detectors must be radiation resistant: high flux of particles from pp collisions high radiation environment e.g. in forward calorimeters: up to n / cm 2 in 10 years of LHC operation

18 The ATLAS experiment Solenoidal magnetic field (2T) in the central region (momentum measurement) High resolution silicon detectors: - 6 Mio. channels (80 µm x 12 cm) -100 Mio. channels (50 µm x 400 µm) space resolution: ~ 15 µm Energy measurement down to 1 o to the beam line Diameter Barrel toroid length End-cap end-wall chamber span Overall weight 25 m 26 m 46 m 7000 Tons Independent muon spectrometer (supercond. toroid system) Der ATLAS Detektor im Vergleich.

19 ATLAS Collaboration (Status Oct. 2003) Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton/CRPP, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, Northern Illinois, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan (151 Institutions from 34 Countries) Total Scientific Authors 1600 Scientific Authors holding a PhD or equivalent 1310 ATLAS detector construction and installation

20 ATLAS Installation November 2005 Impressive progress! Nearly all detector components at CERN; Installation in the pit proceeding well, although time delays, work in parallel to catch up; On critical path: Installation of Inner detector services and forward muon wheels (time); ATLAS expected to be ready in August 2007 one more tough year... Das ATLAS-Myonspektrometer

21 Die Toroid-Magnetfelder Barrel region Bdl (Tm) 7.5 φ = π/8 5 Transition region 10 End-cap region 2.5 φ=0 0 0 Die Myonkammern 1 η 2

22 Die Myonkammern (cont.) Resistive plate chambers MDT chambers Barrel toroid coils End-cap toroid Inner detector Calorimeters Die Myonkammern (cont.) MDT: Monitored Drift Tubes

23 Installation of ATLAS muon chambers, Feb Myon-Rekonstruktion, Auflösungen RMS resolution (µm) 50 µm wire Threshold at 5 noise Shaping time 15 ns GARFIELD simulation Measurement Contribution to resolution (%) Wire resolution and autocalibration Chamber alignment Multiple scattering Energy loss fluctuations Total η < Distance from wire (mm) p T (GeV)

24 Das ATLAS-Kalorimetersystem ATLAS Kalorimeter

25 Struktur des el.magn. Kalorimeters ATLAS Kalorimeter Energieauflösung für Elektronen und Photonen:

26 ATLAS detector construction: Calorimeters Der Innere Spurdetektor Hohe Spurdichte kann durch hohe Granularität der Detektoren aufgelöst werden Silizium-Streifen- und Pixeldetektoren im inneren Bereich

27 Der Innere Spurdetektor (cont.) Der Innere Spurdetektor (cont.)

28 . a few ATLAS pictures from the Inner Detector Insertion of the Silicon Tracker (barrel) in the TRT (February 2006) Insertion of the Silicon Tracker into the TRT

29 Transition Radiation Tracker (TRT) The first tracks in the ATLAS detector -cosmic particles-

30 Performance of the ATLAS Inner Detector σ(1/p T ) (TeV -1 ) Number Hits 10 5 SCT Pixels η η Number TRT Hits Impulsauflösung für eine 500 GeV Spur als Funktion der Pseudorapidität η η Simulation eines H ZZ* 4l Ereignisses

31 A simulated H γγ event in ATLAS ATLAS A simulated B-Meson decay in ATLAS ATLAS Barrel Inner Detector B d o J/ψ K s o π - π + e + e -

32 10.3 Das COMPASS-Experiment am CERN Super Proton Synchrotron (SPS) COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy (Fixed Target Experiment) Jura Geneva Lake COMPASS

33 COMPASS Physics Hadron structure and Spectroscopy Muon beam programme Quark and gluon polarisation in polarised nucleon Hadron beam programme Glue balls Semi-leptonic decays of charmed hadrons Polarisation transfer in fragmentation Double charmed hadrons Operate in quite different conditions with (µ, p, π) beams Spectrometer layout RW MW1 RICH2 ECAL2 HCAL2 MW2 beam Large angle spectrometer Small angle spectrometer two-stage spectrometer, each stage comprising small and large area tracking momentum measurement particle ID Blue: detectors for next stage of experiment, to be constructed

34 The COMPASS-Spectrometer E/HCAL2 Hodoscopes SM1 Polarised Target SPS 160 GeV µ beam E/HCAL1 RICH1 Scifi, Silicon SM2 Muon Wall 1 Straws, Gems Micromegas, SDC, Scifi Muon Wall 2, MWPC MWPC, Gems, Scifi, W45 (not shown) Spectrometer 2002

35 COMPASS Spectrometer Scintillating fibre Detector Kuraray SCSF-78MJ 7 fibre layers with mm diameter up to 5 MHz/fibre 4x4 12x12 cm ps µm efficiency ~ 99 %

36 40 kv/cm 1 kv/cm MicroMegas 3 stations, 12 coordinates size 40x40 cm 2 pitch µm time res. < 10 ns space res. 70 µm efficiency > 97% Ne/C 2 H 6 /CF 4 80/10/10 % Conversion e - 3 mm Amplification Micromesh Strips 100 µm MicroMegas stations

37 Gems 20 triple Gems detectors in 10 stations 40 coordinates size 30x30 cm 2 12 ns time resolution 50 µm space resolution efficiency ~ 97 % Ar/CO 2 70/30 % V 0V Gems Gem foil

38 Straw Tube Detectors 10 mm straws 6 mm straws Hole 160 x 230 mm 2 10 mm straws 15 double layers of 6 and 10 mm straws size 325x242cm 2 resolution 270 µm efficiency % Ar/CF 4 /CO 2 74/20/6 % MWPCs 11 stations with 34 planes size 150x120 cm 2 (150x94 cm 2 ) 2 mm pitch efficiency 99 % Ar/CF 4 /CO 2 74/20/6 %

39 Muon Wall 1 size 4x2 m 2 2 stations sandwiching a 60 cm iron absorber 4 double layers per station 10 mm pitch Calorimetry HCAL 1 (500 ch) sandwich: Fe + scintillator planar WLS for read-out σ 59.4% π : = 7.6% E E HCAL 2 (200 ch) sandwich: Fe + scintillator WLS fibres for read-out ECALs σ 5.8% = 2.3% E E lead glass σ 65% π : = 4% E E

40 HCAL2 20x20 cm 2 module size Ring Imaging Cherenkov Counter 80 m 3 (3 m C 4 F 10 radiator) 116 mirrors 5.3 m 2 detectors MWPC CsI photosensitive cathodes 8x8 mm 2 pads 6.6 m photon detectorts mirror wall 84k analog r/o channels beam 5.3 m 3.3 m

41 COMPASS RICH (cont.) RICH performance single event, low intensity 80 % C 4 F 10, 2050V Cherenkov angle for rings with β 1 Data σ = 0.39 mrad <n> = 15 photons π/k Trennung bis zu 40 GeV/c

42 10.4 Das GLAST-Experiment (Gamma Ray Large Area Space Telescope)

43 GLAST Detektorkomponenten: Präzisionsspurdetektor (Silizium-Streifenzähler) CsI Kristallkalorimeter Antikoinzidenzzähler (Szintillatoren) Trigger- u. Datennahmesystem Spurdetektor: Kalorimeter: Precision Si-strip Tracker (TKR) 18 XY tracking planes. Single-sided silicon strip detectors (228 µm pitch) Measure the photon direction; gamma ID. CsI Calorimeter(CAL) Array of 1536 CsI(Tl) crystals in 8 layers. Measure the photon energy; image the shower. Overview of LAT γ Tracker Segmented Anticoincidence Detector (ACD) 89 plastic scintillator tiles. Reject background of charged cosmic rays; segmentation removes self-veto effects at high energy. ACD [surrounds 4x4 array of TKR towers] e + e Calorimeter Electronics System Includes flexible, robust hardware trigger and software filters. Systems work together to identify and measure the flux of cosmic gamma rays with energy 20 MeV - >300 GeV.