Teilchen Detektoren I Nachweis elektr. geladener Teilchen

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1 Dr. Achim Denig Teilchen Detektoren I Nachweis elektr. geladener Teilchen Literatur: C. Grupen, Particle Detectors, Cambridge Univ. Press K. Kleinknecht, Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer Review of Particle Physics, Phys. Rev. D (2002) Academic Training am CERN: ACAD/Transparencies/Joram300398/pd1/index.html

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5 Schema eines typischen Hochenergiephysik Detektors (z.b. bei LEP, LHC) Seitenansicht : B xy z Vorderansicht : y x Vertex-Detektor (Si) Spurkammer Elektromagn. Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myon-Detektoren (Veto Kosm. Strahlung) B

6 ALEPH (LEP/CERN)

7 OPAL (LEP/CERN)

8 Run : even t 4093 : 1150 Date T ime Ctrk(N= 2 Sump= 92.4) Ecal (N= 9 SumE= 90.5) Hcal (N= 0 SumE= 0.0) Ebeam Evis 94.4 Emiss -3.1 Vtx ( -0.05, 0.08, 0.36) Muon(N= 0) Sec Vtx(N= 0) Fdet(N= 1 SumE= 0.0) Bz= Thrus t = Ap l an= Ob l a t = Spher= Y Z X 200. cm GeV Cen t re o f sc reen i s ( , , )

9 Run : even t 3223 : 7994 Date T ime Ctrk(N= 4 Sump= 91.9) Ecal (N= 6 SumE= 4.0) Hcal (N= 4 SumE= 4.3) Ebeam Evis 96.2 Emiss -4.9 Vtx ( 0.02, 0.06, 0.44) Muon(N= 11) Sec Vtx(N= 0) Fdet(N= 0 SumE= 0.0) Bz= Thrus t = Ap l an= Ob l a t= Spher= Y Z X 200. cm GeV Cen t re o f sc reen i s ( , , )

10 Run : even t 4093 : 1000 Date T ime Ctrk(N= 39 Sump= 73.3) Ecal (N= 25 SumE= 32.6) Hcal (N=22 SumE= 22.6) Ebeam Evis 99.9 Emiss -8.6 Vtx ( -0.07, 0.06, -0.80) Muon(N= 0) Sec Vtx(N= 3) Fdet(N= 0 SumE= 0.0) Bz= Thrus t= Ap l an= Ob l a t= Spher= Y Z X 200. cm GeV Cen t re o f sc reen i s ( , , )

11 Run : even t 2542 : Date T ime Ctrk(N= 28 Sump= 42.1) Ecal (N= 42 SumE= 59.8) Hcal (N= 8 SumE= 12.7) Ebeam Evis 86.2 Emiss 5.0 Vtx ( -0.05, 0.12, -0.90) Muon(N= 1) Sec Vtx(N= 0) Fdet(N= 2 SumE= 0.0) Bz= Thrus t= Ap l an= Ob l a t= Spher= Y Z X 200. cm GeV Cen t re o f sc reen i s ( , , )

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15 Bethe-Bloch-Formel de dx = 4πN A β 2mec γ ln 2 I Z 1 1 β max 2 δ Are mec z T β 2 2 Z/A ist für alle Elemente ca. gleich, außer H!

16 de/dx im DELPHI Mikrovertex Detektor E (a.u.) PID = Particle Identification log p [GeV/c] E (a.u.) log p [GeV/c]

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19 Primär- and Sekundär-Ionisation von Atomen und Molekülen im Gas n n total total E = W i 34 n de x = dx W i primary totale Zahl von gebildeten Elektron-Ionen Paaren. E = Totaler Energieverlust W i = effektiver <Energieverlust>/Paar W i (ev) 22 Primary ionization (Lohse and Witzeling, Instrumentation In High Energy Physics, World Scientific,1992) Total ionisation 41

20 Gas Verstärkung gas cathode E E ( r) V ( r) = CV0 = 2πε 0 CV0 2πε 0 1 r ln r a C = capacitance / unit length b a anode a E threshold 1/r r Signal Entwicklung

21 WQ von Elektron- und Photon-Streuprozessen mit Gasen Edelgas Mehratom - Gas (Kohlenwasserstoff)

22 Betriebszustände von Gaskammern Geiger-Müller-Zähler: Gas-Verstärkung NICHT proportional zu Primär- Ionisation; Signalhöhe immer gleich Ionisations-Kammer: nur Primär- und Sekundär - Ionisation, keine Gas-Verstärkung Proportional Zähler : Gas-Verstärkung (und damit das Signal) sind proportional zu Primär- Ionisation

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24 Multi Wire Proportional Chamber (MWPC) (G. Charpak et al. 1968, Nobel prize 1992) field lines and equipotentials around anode wires Ortsauflösung limitiert zu σ x d 12 (d=1mm, σ x =300 µm) Kapazitive Signalübertragung auf Nachbardrähte? Negative Signale auf allen Drähten? NEIN! Kompensiert durch positive Signale aufgrund der Ionenlawine, die langsam zur Kathode driftet

25 Driftkammer(DC) (First studies: T. Bressani, G. Charpak, D. Rahm, C. Zupancic, 1969 First operation drift chamber: A.H. Walenta, J. Heintze, B. Schürlein, NIM 92 (1971) 373) scintillator DELAY Stop TDC Start drift anode Messe Ankunftszeit der Driftelektronen am Signaldraht relativ zur Zeit t 0 = Driftzeitmessung low field region drift high field region gas amplification Was passiert während der Drift der Elektronen zum Draht? Driftgeschwindigkeit (möglichst konstant!) Diffusion (möglichst klein!)

26 Diffusion Kein externes Feld: Elektrons and Ionen verlieren Energie aufgrund von Kollisionen mit den Gas-Atomen dn Ν D: Diffusion-Koeffizient dn N σ ( t) = x = 1 e 4πDt 2Dt ( x 2 or 4Dt) dx 2 σ x ( t) D = 2t Aufgrund der Kollisionen: ein ursprünglich lokalisiertes Ensemble von Ladungen diffundiert Externes E - Feld: Elektronen verlieren Energie in den Kollisionen und gewinnen Energie aufgrund des elektrischen Feldes Ε Netto Effekt = Null Konstante Driftgeschwindigkeit e - Deshalb kann von Driftzeit-Messung die Distanz des durchlaufenden Teilchens vom Draht berechnet werden d = v D t konstan t gemessen

27 Drift Geschwindigkeit Möglichst unabhängig vom E-Feld! Argon- Methane Argon- Isobutane Typische Elektron Drift-Geschwindigkeiten: 5 cm/µs Ion Drift-Geschwindigkeit: ca mal kleiner

28 Zylindrische Driftkammern Optimiere Zellgeometrie konstantes E-Feld F F F F β s S φ ~ F [ns] Drift Time F F F Drift distance [cm]

29 The KLOE experiment Be beam pipe (0.5 mm thick) Drift chamber (4 m 3.3 m) 90% He + 10% IsoButane sense wires Electromagnetic calorimeter Lead/scintillating fibers Superconducting coil (5 m bore) B = 0.52 T ( B dl = 2 T m)

30 Spurdetektor Driftkammer) Elektromagn. Kalorimeter Wechselwirkungspunkt Supraleitende Spule (0.6T) Eisenjoch

31 KLOE DC Felddrähte Signaldrähte 58 zylindrische Lagen (Zwiebelstruktur) - Stereogeometrie

32 KLOE Detektor am DANE- Beschleuniger (Frascati/Rom) y B x 2 K K Г Elektromagn.Kalorimeter Zylindr. Spurdetektor x WW-Punkt B y x z 5 Г e + e - 1(1020) K + K - 5 Г