Perspektiven der experimentellen Hochenergiephysik - Teil 2

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1 Perspektiven der experimentellen Hochenergiephysik - Teil Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften c/o CERN/PH, CH-1211 Genf 23 Tel , GSM: Claudia.Wulz@cern.ch http: //home.cern.ch/~wulz Nov. 2007

2 Teilchendetektoren Kein einzelner Detektor ist optimal, um gleichzeitig Zeit, Position, Impuls und Energie von Teilchen zu messen sowie sie zu identifizieren. Photonen Elektronen Müonen Pionen, Protonen Neutronen Detektor Tracker Elektrom. Hadron- Müonsystem Kalorimeter kalorimeter innen... außen...

3 Zeitmessung Geladene Teilchen erleiden Energieverlust durch Anregung und Ionisierung von Atomen im Detektormedium. Ein Teil der Anregungsenergie erscheint in geeigneten Medien als sichtbares Licht, das in Lichtleitern durch Vielfachreflexion zu einem Auslesegerät transportiert werden kann -> Szintillationszähler. Photoelektronenvervielfacher ( Photomultiplier, PM ) sind oft verwendete Auslesegeräte. Die Dauer der elektrischen Pulse kann einige ns betragen (organische Szintillatoren, Wellenlängenschieber notwendig)! Zeitauflösung bis zu 200 ps -> Verwendung im Trigger! Verwendung als Koinzidenzzähler und zur Strahldefinition. Probleme: Anpassung der Szintillatorgeometrie an den PM sowie Arbeit in Magnetfeldern.

4 Photoelektronenvervielfacher Licht vom Szintillator 1. Dynode. ] Anode Glühkathode (Photokathode)

5 Photoelektronenvervielfacher Photokathode: e werden durch Photoeffekt frei. Dynoden: Sekundäremissionselektroden mit sukzessive wachsender Potentialdifferenz PM s haben i.a. 10 bis 14 Stufen. Verstärkungsfaktoren ( Gain ) bis zu 10 8 können erreicht werden. Die verschiedenen Spannungen an den Dynoden werden durch Spannungsteiler erzeugt. Die Effizienz für Photoelektronenkonversion an der Kathode hängt stark von der Frequenz des einfallenden Lichtes sowie vom Material ab. Quanteneffizienz η(λ) = Anz. der freigewordenen Photoelektronen Anz. der auf die Kathode treffenden Photonen (λ) Für die meisten Metalle ist η < 0.1%! Halbleiter haben η zwischen 10 und 30%. GaP (dotiert mit Zink und Cäsium) hat η 80%! η ist für ca. 400 nm Wellenlänge am größten.

6 Eigenschaften einiger Szintillatoren NaI(Tl) BGO CsI(Tl) Polystyren +p-terphenyl Zerfallszeit / ns λ max (nm) Relative Lichtausbeute Strahldefinition Szintillatoren erzeugen große Ausgangspulse mit kurzer Anstiegszeit. Jedoch ist die räumliche Auflösung schlecht, da keine klare Korrelation zwischen Teilchentrajektorie und Puls besteht. Braucht man räumliche Information, ordnet man mehrere kleine Szintillationszähler in einem Hodoskop an. Um z.b. einen Strahl genau zu definieren, nimmt man mehrere Zähler in Koinzidenz ( Beam Telescope ). Vor allem in Teststrahlen (Test Beams) von Bedeutung.

7 e Pion-Zerfall in photographischer Emulsion Ortsmessung Grundlage: Ionisation. Ionisationsprodukte werden auf Elektroden gesammelt oder die Ionisationsspur wird sichtbar gemacht. µ 600 µm π Historische Beispiele: photographische Emulsionen, Nebelkammer, Blasenkammer π + -> µ + + ν µ µ + -> e + + ν e + ν - µ Emulsionen haben Auflösung < 1 µm, sind aber kontinuierlich sensitiv, und die Ereignisse müssen mit dem Mikroskop gesucht werden! C. Lattes et al., Nature 159 (1947) 694

8 Geladenes V-Ereignis: K + -> µ + + ν µ Wilson sche Nebelkammer Kondensation von Wasserdampf schneller bei Anwesenheit von Ionen. Gefüllt mit Luft, die mit Wasserdampf fast gesättigt ist. Bei Expansion: Luft wird kühler, Tröpfchenbildung entlang Spuren von Ionen, die durch durchgehende geladene Teilchen verursacht wurden. Sensitiv nur während der Expansionszeit, lange Totzeit danach durch Blasenkammer ersetzt. Diese ist gefüllt mit Flüssigkeit statt mit Gas, wodurch sie auch als Target dienen konnte. K + µ + Rochester & Butler, Nature 160 (1947) 855 } 3 cm Blei

9 Big European Bubble Chamber (BEBC) Photo: CERN

10 Blasenkammerereignis (neutrale Ströme) Photo: CERN

11 Proportionalkammern 10 4 bis 10 5 V/cm -> Anzahl der Sekundärelektronen ist proportional zur Anzahl der Primärionenpaare ( 10 5 / Primärionenpaar). Proportionalzählrohr Anodendraht +V 0 1 V 0 E = r ln(b/a) Signal Kathode r Radialabstand, a Zylinderradius, b Drahtradius) Gasgefüllt, z.b. mit Argon. Quenching - Komponente (z.b. Methan) für höhere Spannungen (Geiger-Müller-Bereich) nötig, um die Ausbreitung von Elektronen bzw. Ionen zu stoppen.

12 Multiwire Proportional Chamber (MWPC) Charpak (1968, Nobelpreis 1993): viele Anodendrähte zwischen zwei Kathodenplatten. Ortsauflösung: µm, Zeitauflösung 30 ns. Kathode Anodendrähte Kathode L 5-8 mm, d 1-2 mm, Drahtdurchmesser µm Äquipotential- und Feldlinien in MWPC Nur 1 Koordinate durch Adressen der getroffenen Drähte!

13 Multiwire Proportional Chamber (MWPC) Messung der zweiten Koordinate x-y (u-v)) - Konfiguration Gekreuzte Drahtebenen Geistertreffer, daher nur für niedrige Multiplizitäten Charge Division y Teilchenspur Anodendraht ADC (Analog/Digital - Konverter) y Q = A Q B Q A ADC L y σ ( ) 0.4 % L Q A + Q B L

14 Multiwire Proportional Chamber (MWPC) Photo: CERN

15 Driftkammer Ersatz von MWPC. Auflösung µm. t 0 Driftzelle t 1 t 1 t o Szintillationszähler startet einen Timer (TDC) und definiert t 0. t 1 ist die Ankunftszeit der Elektronen am Anodendraht. v D muß möglichst konstant sein. TypischeWerte um 5 cm/µs. Eine Driftzelle ist typischerweise einige cm lang bzw. breit.

16 Driftkammer Driftkammern gibt es in planaren (z.b. CMS-Experiment am CERN) und zylindrischen Anordnungen ( Jetkammern, z.b. OPAL-Experiment am CERN).

17 Driftkammer Straw Tracker des ATLAS-Experiments Photo: CERN

18 Streamerkammer Gasverstärkung 10 8 Elektronen pro Primärionenpaar -> Streamermode (lokales Plasma) -> durch Rekombination von Ionen entsteht sichtbares Licht von den Streamern -> elektrischer Puls. Elektroden sind parallele Platten, HV kv/cm mit Pulslänge von 3-50 ns ergibt Streamer von einigen mm Länge. Auflösung ca. 200 µm. Elektrisches Analogon zur Blasenkammer. Photo: CERN

19 Resistive Plate Chamber (RPC) Abgeleitet von Proportionalkammern. Arbeitspunkt nahe dem Streamer Mode (starke Photonemission). Elektroden z.b. aus Bakelit (ρ Ωcm) mit Graphitbeschichtung. Zeitdispersion: 1-2 ns -> geeignet zum Triggern! RPC s gibt es auch in Anordnungen mit mehreren Gasgaps. Dadurch erreicht man bessere Effizienz und zeitliche Auflösung.

20 Time Projection Chamber (TPC) 3-dimensionaler Spurendetektor, der auf Ideen der MWPC und der Driftkammer basiert. Hauptsächlich in Verwendung bei e + e - - Collidern und Ionenexperimenten. Die TPC besteht aus einem großen, gasgefüllten Zylinder mit einer dünnen HV-Elektrodenplatte in der Mitte -> uniformes E-Feld. Zusätzlich wird ein paralleles B-Feld angelegt. An den Stirnseiten des Zylinders sind Sektoren von Ebenen aus Anodendrähten angeordnet (Endkappen). Parallel zu jedem Draht liegen Kathodenpads. Die durch den Durchgang eines Teilchens erzeugten Elektronen driften zu den Endkappen. 1 Koordinate ist durch die Position der getroffenen Anode gegeben, die 2. durch das auf den Kathodenpads induzierte Signal. Die 3. Koordinate entlang der Zylinderachse ist durch die Driftzeit der Ionisationselektronen gegeben. Man erhält viele Raumpunkte entlang einer Spur. Zur Vermeidung von Diffusion ist das Magnetfeld vorhanden. Signalamplituden an den Endkappen sind proportional zum Energieverlust de/dx. Der Impuls kann aus der Krümmung bestimmt werden -> Teilchenidentifikation.

21 Time Projection Chamber (TPC) Teilchen paralleles Magnetfeld Elektrisches Feld Endkappen Driftende Elektronen Kathodenpads Hochspannungsebene Hochspannung Elektronen driften Anodendrähte

22 Time Projection Chamber (TPC) ca Spuren

23 Halbleiterdetektoren Bei Halbleiterdetektoren spielen Elektron-Loch-Paare die Rolle von Ionenpaaren in Gasdetektoren. p-n Übergang mit Sperrspannung Dotation: n: As, P, Sb (5 Valenzel.) p: Ga, B, In (3 Valenzel.) Abreicherungszone ohne Vorspannung + n p - Abreicherungszone mit Vorspannung Ohne Sperrspannung findet anfangs eine Diffusion von Löchern zur n- Region und von Elektronen zur p-region statt. Die diffundierenden Elektronen füllen Löcher in der p-region, die Löcher fangen Elektronen in der n-region. Da n- und p-regionen ursprünglich elektrisch neutral waren, entsteht Aufladung beiderseits des pn-übergangs. p-region wird negativ, n-region positiv. Dadurch entsteht ein Feldgradient, der schließlich die Diffusion aufhält. Es entsteht eine Zone, die frei von mobilen Ladungsträgern ist.

24 Halbleiterdetektoren Durch Anlegen einer Sperrspannung (ca. 100V) wird die dünne Abreicherungszone auf den ganzen Bereich ausgedehnt. Durch Energieabgabe in der abgereicherten Zone (durch durchgehende geladene Teilchen) entstehen freie Elektron-Loch-Paare. Im elektrischen Feld driften die Elektronen und Löcher zu den Elektroden - es entsteht ein meßbarer Strom. Das gemessene Signal ist proportional zur Ionisation. Elektron-Loch-Paare spielen also die Rolle von Elektron-Ionen-Paaren in Gasdetektoren. Die zur Ionisation nötige Energie ist aber ca. 10 mal kleiner als für Gasionisation. Dadurch wird bessere Auflösung als in Gasdetektoren erzielt.

25 Silizium-Mikrostrip-Detektoren Diese werden als Präzisionstracker benützt. Sehr gute Auflösung, bis zu 5 µm (durch Charge Division ). Auslesestreifen Rauminformation durch Segmentierung der p-schicht -> einseitiger Mikrostripdetektor. Doppelseitige durch zusätzliche Segmentierung der n-schicht.

26 Silizium-Mikrostrip-Detektoren Zwei 15x15 cm 2 Silizium-Mikrostrip-Detektoren mit Auslesechip (CMS-Experiment)

27 Silizium-Mikrostrip-Detektoren Tracker des DELPHI-Experiments

28 Silizium-Mikrostrip-Detektor als Vertexdetektor Ereignis im DELPHI-Vertexdetektor 1.2 M Zellen Hitauflösung 10 µm im Barrel cm

29 Silizium-Pixel-Detektoren Diodenmatrix aus Silizium Ausleseelektronik mit gleicher Geometrie Verbindung durch Bump Bonding Als Präzisionsvertexdetektoren verwendet 100 µm 50 µm 16x24 Pixel-Matrix (BELLE)

30 Impulsmessung Der Impuls wurd durch Messung der gekrümmten Bahnen geladener Teilchen im Magnetfeld festgestellt -> Spektrometer. Bei Collidern um den Wechselwirkungspunkt angeordnet. Dipol Feldlinien normal zur Strahlrichtung. Beste Impulsauflösung für Teilchen in Vorwärtsrichtung. Oft in Fixed Target Experimenten. Solenoid Feldlinien parallel zur Strahlrichtung. Beste Impulsauflösung für Teilchen in normal zur Strahlrichtung. Solenoid Dipol

31 Magnetfeldkonfigurationen von ATLAS und CMS ATLAS Toroide + zentrales Solenoid CMS langes Solenoid

32 ATLAS-Detektor A Toroidal LHC Apparatus

33 CMS-Detektor Compact Muon Solenoid

34 Energiemessung Kalorimeter messen Energie und Position. Prinzip: totale Absorption. Messung von geladenen und neutralen Teilchen möglich. Während der Absorption tritt das Teilchen mit dem Absorbermaterial in Wechselwirkung, erzeugt Sekundärteilchen, die weitere Teilchen erzeugen -> Kaskade (Schauer). Deshalb heißen Kalorimeter auch Schauerzähler. Der Schauer entwickelt sich hauptsächlich in Längsrichtung. Kleinere transversale Komponente durch Vielfachstreuung und Transversalimpulskomponenten der erzeugten Teilchen. L θ 0 = θ RMS = <θ 2 > 1/2, r RMS = Lθ 0 Θ θ 0 = 13.6 MeV q L/X 0 { ln(l/x 0 )} βcp r X 0 Strahlungslänge q. Ladung

35 Energiemessung Kalorimeter sind zum Nachweis hochenergetischer Teilchen besonders geeignet. Der Absorptionsprozeß ist ein statistischer Prozeß, deshalb gilt bei hohen Energien: ΔE 1 ~ E E Es gibt 2 Grundtypen von Kalorimetern: homogene und Sandwichkalorimeter Homogene Kalorimeter Absorber und Detektor in einem, z.b. Bleiglas. Nur elektromagn. Kal. Sandwichkalorimeter Absorber (Pb, Fe, Cu, ) und Detektor (Szintillator, ) in abwechselnden Schichten ( Sampling-Kalorimeter ). Kalorimeter dienen normalerweise zum Nachweis von nur einer Teilchenart (e/γ, Hadronen). Eigenschaften von elektromagnetischen und hadronischen Schauern sind nicht gleich.

36 Elektromagnetische Schauer Hochenergetische e + /e - : Energieverlust hautpsächlich durch Bremsstrahlung. Hochenergetische Photonen: Energieverlust hauptsächlich durch Paarerzeugung. Es entsteht eine Kaskade von e + /e - -Paaren und Photonen, bis die Energien der Sekundärelektronen unter die kritische Energie E c fallen, bei der Ionisationsverluste gleich den Bremsstrahlungsverlusten werden (E c 600 MeV/Z). Transversale Ausdehnung eines elektromagnetischen Schauers (95% des Schauerkonus ist in einem Zylinder mit Radius 2 R M enthalten) ( Molière-Radius ): R M = X E s 0 E c E s m e c 2 4 π/α = 21.2 MeV z.b. Bleiglas: R M = 1.8 cm, X 0 = 3.6 cm

37 Longitudinale Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers Einfaches Modell: Jedes e mit E > E c (Anfangsenergie E 0, E 0 >> E c ) gibt nach 1 X 0 die Hälfte seiner Energie an ein Bremsstrahlungsphoton ab, jedes Photon mit E γ > E c gibt nach 1 X 0 seine Energie durch Erzeugung eines e + /e - - Paares ab. Elektronen mit E < E c strahlen nicht mehr und verlieren den Rest ihrer Energie durch Kollisionen. γ e - e - γ e - e - γ e + e - γ γ e - e + e - e + t = Strahlungslängen

38 Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers Nach t Strahlungslängen ca. 2 t Teilchen im Schauer. Mittlere Energie der e/γ: E 0 E t (t) = 2 t Die Schauerentwicklung hört auf, wenn E(t) = E c. t max = t (E c ) = ln (E 0 /E c ) ln 2 Elektromagnetischer Schauer in Nebelkammer

39 Elektromagnetische Kalorimeter Typische Längenausdehnung: für 30 GeV Teilchen --> mehr als 20 X 0. Energieauflösung: = + b + σ(e) a c E E E a Stochastischer Term; a (2 15)% b Konstanter Term (Inhomogenitäten, Interzellkalibration, Nichtlinearitäten) -> dominiert bei hohen Energien; b (0.5 5) % c Noiseterm (Elektronisches Rauschen, Radioaktivität, Pile-up) Die räumliche und die Winkelauflösung zeigen auch ein 1/ E - Verhalten.

40 Hadronische Schauer Qualitativ ähnlich den em. Schauern, jedoch treten komplexere (inelastische) Prozesse auf. Mehr Fluktuationen -> schlechtere Energieauflösung als für em. Kalorimeter. Typisch: a (50 100)%, b (4 10)%. Die Größe des Schauers ist definiert durch die Absorptionslänge λ a. Diese ist immer größer als X 0 -> Hadronkalorimeter sind immer dicker als em. Kalorimeter. Typische Dicken: 10 λ a und mehr. Verlust durch Kernanregung, Leakage von Zerfallsmüonen und Neutrinos aus dem Kalorimeter -> sichtbare Energie 20 bis 30% kleiner als für Elektronen -> Nichtlinearität! Kompensation kann man jedoch durch geschickte Anordnung der Samples und andere Methoden erreichen.

41 Teilchenidentifikation Unterscheidung von π/k, K/p, e/π, γ/π 0,... Kalorimeter, Müondetektoren, Vertexdetektoren Methoden hängen sehr vom interessanten Energiebereich ab. Möglich sind die gleichzeitige Messung von de/dx und p, Flugzeit, die Verwendung von Cerenkovlicht sowie Übergangsstrahlung. de/dx-messung Gleichzeitige Messung von p und de/dx definiert die Masse und somit die Identität eines Teilchens. p = mβγ 1 de/dx ~ ln (β β 2 2 γ 2 )

42 de/dx-messung e µ } π/k - Trennung erfordert de/dx-auflösung von < 5%! π K p Mittlerer Energieverlust für e, µ, π, K, p in 80/20 Ar/CH 4

43 de/dx im DELPHI-Detektor π K p Monte-Carlo e Daten

44 Flugzeitzähler (Time of Flight Counter) Δt = L ( 1-1 ) Lc (m m 22 ) c β 1 β 2 2p 2 Δt für Weglänge von L = 1m Szintillator mit σ t = 300 ps π/k-trennung bis 1 GeV Limitiert auf Teilchen mit Impulsen kleiner als wenige GeV.

45 Cerenkovzähler Beim Durchgang eines geladenen Teilchens mit Geschwindigkeit v durch ein Medium mit Brechnungsindex n werden angeregte Atome in der Nähe des Teilchens polarisiert. Ist v > c/n, erscheint ein Teil der Anregungsenergie als kohärente Strahlung, die in einem typischen Winkel θ zur Bewegungsrichtung auftritt. Eine Bestimmung von θ liefert ein direktes Maß für die Geschwindigkeit. Im Vergleich zu einem typischen Szintillator (10 4 /cm) werden wenige Photonen emittiert. Deshalb sind Cerenkovzähler mehrere m lang. v > c/n βn > 1 1 cos θ = βn ct/n θ βct Wellenfront θ

46 Cerenkovzähler Cerenkovzähler werden in 2 Betriebsarten verwendet: 1) Schwellenmodus ( Threshold mode ) Zum Nachweis von Teilchen, deren Geschwindigkeit einen gewissen Wert überschreitet. θ wird nicht explizit gemessen. Annahme: 2 Teilchen mit β 1 und β 2 sind bei einem gegebenen Impuls p zu unterscheiden. In einem geeigneten Medium, in dem β 1 n > 1 β 2 n ist, erzeugt Teilchen 1 Cerenkovstrahlung, Teilchen 2 jedoch nicht. γ, bei dem das Teilchen Cerenkovlicht zu erzeugen beginnt: γ Schwelle = E/mc 2 Medium n-1 Photonen/cm γ Schwelle He CO Silikagel Wasser Glas Teilchenunterscheidung funktioniert bis ca. 30 GeV/c.

47 Cerenkovzähler 2) Differentieller Modus (Fokussiermodus( Fokussiermodus) Hier wird der Winkel θ durch ein Spiegelsystem gemessen. Wenn alle Teilchen in dieselbe Richtung fliegen, kann der Kegel des Cerenkovlichts auf eine Schlitzblende fokussiert werden und mit einem PM ausgelesen werden. Man kann den gewünschten Geschwindigkeitsbereich entweder durch Adjustierung der Blende auswählen oder den Brechungsindex durch Veränderung des Druckes oder der Zusammensetzung des Gases verändern. Blende Prisma zu PM s Medium θ sphärischer Spiegel

48 Cerenkovzähler Wenn Teilchen nicht parallel zu einer fixen Achse fliegen, muß man einen RICH (Ring Imaging Cerenkov Counter) verwenden. In manchen Collider- Experimenten verwendet. θ wird durch Schnitt des Cerenkovkegels mit einer photosensitiven Ebene bestimmt. Die Radien der Ringe hängen vom Emissionswinkel der Cerenkovstrahlung ab. Cerenkovmedium Spiegel

49 RICH-Detektoren Ein RICH mit 2 Medien erlaubt π/k/p-trennung von 0.7 bis 45 GeV/c z.b. in DELPHI und SLD. DELPHI DELPHI: Das flüssige Medium kann Teilchen im Impulsbereich 0.7 bis 9 GeV/c identifizieren. Das gasförmige Medium dient zur Teilchenidentifikation von 2.5 bis 25 GeV/c.

50 DELPHI-RICH 2 Teilchen in einem Hadronjet aus einem Z-Zerfall im gasförmigen und flüssigen Cerenkov-Medium. π/k - Hypothese

51 Übergangsstrahlung Für sehr hohe Energien (γ 1000). Übergangsstrahlung tritt auf, wenn geladene Teilchen durch Schichten mit verschiedenen dielektrischen Eigenschaften durchgehen. Die Intensität der emittierten Strahlung (im optischen und im Röntgenbereich) reflektiert die Teilchenenergie E = mγc 2, nicht die Geschwindigkeit. Wahrscheinlichkeit für Übergangsstrahlung höher für größere γ. Besonders benützt zur Elektronidentifikation (z.b. bei H1 am DESY, D0 am Fermilab oder ATLAS am CERN). Unterscheidung von π möglich ab p > 1 GeV. Ein Röntgenquantum wird nur mit Wahrscheinlichkeit 1% pro Übergang emittiert -> mehrere 100 Übergänge in der Praxis, z.b. Li oder Plastikfolien in Gas. ATLAS TRT-Prototyp (Transition Radiation Tracker)