Teilchenphysik für Fortgeschrittene Detektoren und Experimente

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1 Teilchenphysik für Fortgeschrittene Detektoren und Experimente Peter Schleper Wintersemester 2011/12 Detektor-Konzepte e + e - Experimente bei PETRA, LEP, Linear-Collider e +- p Experimente bei HERA pp Experimente am SPPS, Tevatron und LHC Detektoren Spurkammern: Driftkammern, TPC, Si-Detektoren Kalorimeter Elektronik, Signalverarbeitung Daten-Analyse Trigger, Mathematische Algorithmen P. Schleper Teilchen II 1

2 Beschleuniger Collider HERA Tevatron LHC LEP ILC CLIC ep pp pp e+e- e+e- e+e- E CMS (GeV) Luminosity /(cm 2 s) Bunch- Abstand (ns) Bunch- Radius (µm) Bunch- Länge (cm) x x 8 700*5 40 * x P. Schleper Teilchen II 2

3 Teilchen-Nachweis Ziel: Messung aller einzelner Quanten, die entstehen Energie, Impuls, Masse, Ladung, Lebensdauer Identifizierung der Teilchensorte Rekonstruktion von kurzlebigen Teilchen aus ihren Zerfallsproduktion Rekonstruktion des Prozesses a+b c+d+... Rückschluss auf Feynman-Diagramme Rückschluss auf Lagrange-Dichte: Teilchen, WW, Symmetrien, Naturkonstanten Bethe-Bloch Formel: Vielfachstreuung in Materie Energieverlust Ionisation MIPS: ~2MeV/cm (in Wasser) Nachweis nur über elektromagnetische WW Umwandlung kinetischer Energie gel. Teilchen: Ionisation in Gas, Silizium, fl.argon,... Photonen: Photomultiplier, Photodioden, Si-Det. Elektronische Signale (benötigt Verstärkung) Schwache WW viel zu selten (kein direkter Neutrino-Nachweis) Starke WW (nur für Hadronen) sehr häufig, indirekter Nachweis über neu entstehende Hadronen P. Schleper Teilchen II 3

4 Compact Muon Solenoid Experiment CMS Experiment CERN-LHC Higgs, Supersymmetry, LED P. Schleper Teilchen II 4

5 Teilchen-Identifikation (CMS Dektektor) P. Schleper Teilchen II 5

6 Simulation of event in the CMS detector: Low luminosity P. Schleper Teilchen II 6

7 CMS Myon System Commissioning CMS with Cosmics P. Schleper Teilchen II 7

8 Silizium Spur-Detektor Streifen Detektor: 220 m2 Si, Module 10 Mill. Streifen TEC R3 Modul P. Schleper Teilchen II 8

9 CMS Experiment am P. Schleper Teilchen II 9

10 Spur-Detektoren Ziel: Verfolge Teilchen-Bahn durch viele Einzelmessungen Magnetfeld zur Impulsmessung Ionisation de/dx zur Messung der Geschwindigkeit Messung sekundärer Zerfälle zur Bestimmung von Lebensdauern und Teilchenidentifikation Spurdetektor des JADE Experiments am PETRA Beschleuniger (DESY) Driftkammer Entdeckung des Gluons e+e- qqg Detektor-Design: Wenig Material, da Teilchenbahn nicht gestört werden soll Detektoren nahe am Entstehungsort: Sekundäre Vertizes Hohes Magnetfeld Impulsmessung Hohe Ortsauflösung zur Messung des Radius der Helix 3-d Bilder der Reaktion Technische Lösungen: Gas-Detektoren: Blasenkammern, Streamer-Tubes, Heute: Driftkammern, Time-Projection-Chamber (TPC),... Silizium-Detektoren,... P. Schleper Teilchen II 10

11 Gas-Detektoren Geladenes Teilchen ionisiert das Gas Elektronen + Ionen Typisch: Argon etwa de = 30 ev im Mittel für ein Ionisiertes Atom de/dx = 3 KeV / cm Drift der Elektronen zur Anode (Ionen zur Kathode) Gasverstärkung (Signal zu klein für Elektronik) wähle dünnen Draht mit hoher Anodenspannung Beschleunigung im starken E-Feld nahe am Draht Entstehung von Sekundär-Elektronen durch Stöße Entstehung von Photonen aus angeregten Atomen weitere Ionisation Lawinenbildung Gasverstärkung P. Schleper Teilchen II 11

12 Gasverstärkung hängt von Anoden-Spannung ab Gas-Detektoren Proportionalbereich: Ladung auf Draht proportional zu Anzahl der primären Elektronen Messung von de / dx Geiger- Bereich: Ionisation im ganzen Volumen durch Photonen misst nur an/aus P. Schleper Teilchen II 12

13 Gas-Detektoren Drift der Elektronen ~ 5 cm / µs, abhängig von Spannung, Gas, Druck messe Zeit zwischen Teilchendurchgang und Signal am Draht Abstand zum Draht = Driftlänge = Driftzeit / Geschwindigkeit benötige homogenes Feld Diffusion Abhängig von Spannung, Gas, Druck P. Schleper Teilchen II 13

14 Spurdetektoren Multi-Wire-Proportional-Chamber (MWPC) Mehrere Drähte im Abstand mm...cm Driftkammern Kathodendrähte zur Feldformung Mehrere Lagen zur 3-dim Spurrekonstruktion Gas-electron-multiplier (GEM) Keine Drähte, sondern dünne Folie mit Löchern Hohe Spannungen im Bereich der Löcher Verstärkung Sehr hohe Ortsauflösung Gas Electron Multiplier (GEM) P. Schleper Teilchen II 14

15 Driftkammer des H1 Experiments bei HERA Schauer aus Kosmischer Strahlung P. Schleper Teilchen II 15

16 Driftkammern Signalhöhe: Ladungsträger * Sammlungs-Effizienz * Verstärkung Ladungsträger: de/dx nach Bethe-Bloch Formel, ca 30 ev je e-ion Paar Minimal ionisierende Teilchen (MIPS) ~ 100 e-ion Paare je cm Flugstrecke Sammlungs-Effizienz: Absorption der e durch Gas-Moleküle Edelgase (Ar) Gasverstärkung: E-Feld groß dicht am Draht (10 µm Dicke) im Proportionalitätsbereich: einige 100 V Gasverstärkung ~ 10 4 Teilchen-Identifikation Schauer soll lokal bleiben: Photonen absorbieren durch CH 4... Raumladung: langsame Ionen schirmen E-Feld ab weniger Signal Rauschen: spontan erzeugte Ladungsträger (z.b. Synchrotron-Strahlung) elektronisches Rauschen, Schott-Noise, Ziel: Alterung: Hohe Ionisation nahe am Draht Bildung von Radikalen, Ablagerungen am Draht Signal kleiner Begrenzung der Gasverstärkung Gefahr zu hoher Ionisation große Ströme Drähte reißen P. Schleper Teilchen II 16

17 Driftkammern Ortsauflösung senkrecht zum Draht Pulsform des Stromes Abstandsverteilung der e vom Draht Statistik der Primär-Ionisation Diffusion Homogenität des E-Feldes /Driftgeschwindigkeit Sammelzeit der Ladung am Draht (wenige ns) Front-End Elektronik direkt am Detektor Auskopplung des Signals Verstärkung, Puls-Formung (Differenzierung) Pipeline: Datenspeicherung bis zur Trigger-Entscheidung Digitalisierung: Flash ADC Pedestal-Subtraktion und Noise cut (Signal > 3σ Noise) Zero-Suppression zur Reduzierung der Datenmenge Messung der Anstiegsflanke des Pulses Zeit Kalibration mittles Driftzeitspektrum vieler Teilchen T0 (Teilchendurchgang) Driftgeschwindigkeit (v Drift ~ 5cm/µs) Ortauflösung: µm Front-End-Elektronik Puls-Form Pulshöhen-Spektrum Driftzeit-Spektrum P. Schleper Teilchen II 17

18 Driftkammern Impuls-Messung im Magnetfeld Meistens: Solenoid-Magnet: B-Feld Strahl Drähte Messung des Transversalimpulses P T gilt auch relativistisch Messung der Krümmung Messgenauigkeit Ortsauflösung einzelner Hits (ε) Anzahl der Hits (N) Spurlänge senkrecht zu B (L ) Falls Vertex bekannt: Begrenzte Auflösung bei großen Impulsen Vielfachstreuung Material im Detektor Strahlrohr,Wände,Gas,Drähte,Kabel,... typisch X 0 begrentzt Auflösung bei kleinen Impulsen P Impuls-Auflösung: Beispiel: Zeus bei HERA: 72 Draht-Lagen, L ~ 0.7m Hits Mult.Sc. Kalibration +Alignment P. Schleper Teilchen II 18

19 Driftkammern Messung der z-koordinate ( zum Strahl) Ladungsteilung an beiden Enden des Drahtes (Auflösung σ(z) ~5cm) Laufzeit der Signale zu beiden Enden (σ(z) ~5cm) Leicht gekreuzte Drähte (typisch σ(z) ~0.5cm) Extra z -Kammern mit Draht-Segmenten senkrecht zum Draht σ(z) ~0.1mm, aber mehr Material Winkelauflösung: σ(θ) < 1 mrad H1 Driftkammer mit z-kammern innen und Mitte Doppelspurauflösung Teilchen in Jets nahe beieinander Minimaler Abstand von 2 Hits am selben Draht ~ Pulslänge * v Drift ~ 1 mm Totzeit Signal-Länge und maximale Drift-Zeit der e: µs Max. Driftzeit der Ionen: Rauladungseffekte Impact-Parameter Auflösung Primärer Vertex Primäre Bunch-Größe in x,y meist kleiner als Vertex Auflösung Messe Vertex als Mittelwert vieler Ereignisse Primäre Bunch-Länge in z: LEP: 1cm, LHC:7.5cm Rekonstruktion je Event Sekundärer Vertex: Späte Zerfälle b-quarks, (c,τ) Impact-Parameter (Abstand Spur-Vertex) Vertex aus mehreren Spuren Si-Detektoren nahe am Vertex βγcτ > 200 µm P. Schleper Teilchen II 19

20 Pattern Recognition Musterekennung: Spurfindung aus vielen 1000 Hits Spuren Minimal Spanning Tree mit Fehlern Kalman Filter HERA: e-p Ereignis ZEUS mit Drift-Kammer und Kalorimetern P. Schleper Teilchen II 20

21 Time Projection Chamber (TPC) TPC: E-Feld B Großes Gas-Volumen ohne Drähte Drift zu den Enden der Kammer über einige Meter Messung nur an den Kammer-Enden, z.b. mit Draht-Kammern y B E drift Vorteile Diffusion durch B-Feld reduziert, denn Sekundärelektronen laufen in Spiralbahnen x-y Koordinaten sehr präzise Driftzeit als Maß für z-koordinate: z = Zeit * v Drift dz ~ 0.1 mm 3-dim Bild der Spuren mit einer Kammer z x charged track Keine z-kammern und extra Wände gute de/dx Messung wenig Material, wenig Vielfachstreuung sehr gute Impulsauflösung Nachteile Sehr langsam, da lange Driftstrecke Anwendungen bei Collidern mit großen Abständen zwischen Kollisionen, e+e- Collider, Schwerionenphysik P. Schleper Teilchen II 21

22 Time Projection Chamber (TPC) ALEPH Experiment bei LEP: e+e- bis E CMS = 208 GeV Größe: 4,7m x 3,6m, E-Feld: 110 V/cm, B-Feld = 1.5 Tesla 91% Argon + 9% CH4, Verlust an Sekundärelektronen 1%/Meter, Kanäle, 20 Hits/Spur, Hit-Auflösung: dx=dy=0.17mm, dz=0.6mm e+e- 2-Jets P. Schleper Teilchen II 22

23 TPC von ALEPH ( e+e- Z H qq bb Kandidat) de/dx Messung Auflösung für Sekundäre Vertizes: Zerfälle von b-quarks (c, tau) P. Schleper Teilchen II 23

24 ALICE TPC Quark-Gluon Plasma Zustand des frühen Universums mit Abstand Quarks << 1 fm und hoher Temperatur ALICE Experiment am LHC p-p mit ECMS = 7 TeV Bei-Blei mit ECMS = 574 TeV (2.76 je Nukleon) Typisch 1000 Spuren je Ereignis Auflösbar mit TPC P. Schleper Teilchen II 24

25 Halbleiter-Detektoren zentrale Komponente aller modernen Detektoren: Ortsauflösung mm, Zeit für Ladungssammlung ~ 5-10 ns Si: Halbleiter mit 1.1 ev Bandlücke Diode: pn Übergang in Sperrrichtung geschaltet Verarmungszone mit sehr wenig freien Elektronen/Löchern sehr kleiner Dunkelstrom Festkörper: Dichte groß, de/dx groß Teilchen erzeugt ein e-loch Paar je 3 ev Energieverlust (de/dx) e-loch Paare für MIPS in 0.3 mm Dicke Keine instrinsische Verstärkung notwendig Feine Segmentierung möglich: Ortsauflösung MIPS = minimal ionisierendes Teilchen (Bethe-Bloch) P. Schleper Teilchen II 25

26 Si-Halbleiter-Detektoren Si bei 300K: 1.5 x e - /cm 3 im Leitungsband (10-12 je Atom) Störstellen: e- Einfang oder e-loch Rekombination Fremdatome < /cm 3, Kristall-Defekte durch Teilchen-Wechselwirkungen Dotierung: p,n Material: /cm 3, p+, n+ Material: /cm 3 P. Schleper Teilchen II 26

27 Silicon-Detektoren Streifendetektor mit Gate-Ringen Pixel Detektoren: CMS: 100 x 150 µm Streifendetektoren: Abstand Streifen: Pitch ~ 100 µm Auflösung 1 Streifen: Pitch /sqrt(12) Lorentz-Winkel durch Magnetfeld Diffusion: Puls auf mehreren Streifen Schwerpunkt der Ladungsverteilung verbesserte Auflösung Vorteile von Si-Detektoren Doppelhit-Auflösung < 0.1mm Ideal für hohe Spurdichte Schnelle Signal da kurze Driftwege (25ns) Beste Auflösung: 5 25 µm Signal/Rauschen > 25 Ideal als Vertex-Detektor Nachteile Kühlung < -10 o wg. Dunkelstrom Mehr Material, Preis hoch P. Schleper Teilchen II 27

28 CMS Si-Detektor Komplettes Spurkammer-System aus Silizium-Det Wafer, 200 m2 P. Schleper Teilchen II 28

29 CMS Si-Detektor P. Schleper Teilchen II 29

30 CMS: p-p und Pb-Pb Kollisionen P. Schleper Teilchen II 30

31 Kalorimeter Detektor-Komponenten für Experimente an Beschleunigern Spurkammern: nur elektr. geladene Teilchen Impulsmessung gut nur bei kleinen Impulsen δp T / P T ~ P T Wenig Material WW gering Teilchen verlieren fast keine Energie Innerer Detektor Kalorimeter: Außerhalb des Spurdetektors Vollständige Absorption aller Teilchen (außer µ,ν) Dichtes Material Schauerbildung Nachweis möglichst aller Schauerteilchen Signal ~ Energie der einfallenden Teilchen Elektronen, Photonen: Elektromagnetische Schauer Hadronen: hadronische Schauer δe / E ~ 1/ sqrt(e) Ziel: Energie-Messung aller Teilchen (geladen und neutral) Identifizierung von Elektronen/Photonen gegen Jets P. Schleper Teilchen II 31

32 CMS Experiment am LHC P. Schleper Teilchen II 32

33 Elektromagnetische und Hadronische Schauer Elektromagnetische Schauer Elektronen, Photonen: Strahlungslänge X 0 Weglänge, nach der Energie eines Elektrons auf 1/e gesunken ist. Hadronische Schauer Alle langlebigen Hadronen p,n, π+, π-, K+, K-,K 0 L,.. Kurzlebige Hadronen Zerfälle π 0 γγ Elektromagnetische Komponente in Hadronischen Schauern Isospin-Symmetrie: π + : π - : π 0 = 1 : 1 : 1 ca. 1/3 der Energie im Hadronischen Schauer ist Elektromagnetisch Hadron Hadon WQ ~ Größe der Hadronen (Kerne) Nukleare WW-Länge λ I P. Schleper Teilchen II 33

34 Elektromagnetische Schauer Photonen Photonen E > 2 m e : Paarbildung in e+e- ~ konstant für E > 2 MeV E < 2 m e : Compton und Photoeffekt kin. Energie von Elektronen Elektronen: E > 10 MeV: Bremsstrahlung dominiert Abstrahlung vieler Photonen Paarbildung elektromagnetischer Schauer Abbruch bei Eγ ~ 2 m e Anzahl Elektronen ~ E gesamt / 2m e Gesammte Energie in Ionisation, viele Teilchen, wenig Fluktuationen, gut vorhersagbar Elektronen P. Schleper Teilchen II 34

35 Elektromagnetische Schauer II Schauerprofil longitudinal Länge in Einheiten von X 0 Maximum bei ~ 5 X 0 > 99 % absorbiert nach 25 X 0 Länge steigt logarithmisch mit E Schauerprofil transversal Leichte Teilchen mit großem Boost Sehr enge Schauer exponentiell abfallend Moliere Radius R M wenige cm ~95 % der Enerie innerhalb 1 R M P. Schleper Teilchen II 35

36 Hohe Dichte, hohes Z Electromagnetische Kalorimeter Kurze Schauer, gute Trennung von Hadronen Homogene Kalorimeter Szintillator-Licht: NaJ, PBWO 4 Cherenkov-Licht: Bleiglass Keine Verluste, beste Auflösung teuer CMS Elektromagnetisches Kalorimeter Kristalle aus PbWO 4 Dichte fast wie Blei! P. Schleper Teilchen II 36

37 Elektromagnetische Kalorimeter II Sampling Kalorimeter Absorber-Schichten: Blei, Kupfer, Messing Sensitive Schichten: Szintillatoren preiswert flüssig-argon langsam, (Silizium teuer) Gas-Detektoren schlecht sehr stabil, Kühlung nötig ZEUS,... H1, D0, ATLAS Rauschen Sampling-Term Konstanter Term (Kalibration, homogenität P. Schleper Teilchen II 37

38 Hadronische Jets bei ZEUS P. Schleper Teilchen II 38

39 Jets Typisch 20 Teilchen bei 100 GeV Energie des Quark oder Gluon Große Fluktuationen in Anzahl und Energie der Teilchen Ca 90% Pionen π + : π - : π 0 = 1 : 1 : 1 ca. 1/3 der Energie elektromagnetisch Weitere WW im Material P. Schleper Teilchen II 39

40 Hadronische Schauer Sampling kalorimeter Wechselwirkung im Material Kern-Bindungsenergie unsichtbare Energie Energie neuer Teilchen Ionisation Jeweils 1/3 in π 0 Elektromagnetischer Anteil steigt bei großen Energien Möglichst gleiche Signalhöhe für elektromagnetische und hadronische Energie Aber unsichtbare Energie e/h Verhältnis der Signalhöhe nicht 1 P. Schleper Teilchen II 40

41 ATLAS LAr Kalorimeter Kalorimeter mit sehr guter Granularität Elektron Identifizierung Identifizierung der elektromagnetischen Komponente innerhalb des Jets Energieauflösung ~50% für Jets!! P. Schleper Teilchen II 41