Der Compact Myon Solenoid

Transkript

1 Der Compact Myon Solenoid Universität Karlsruhe (TH) Collider-Physik Sebastian Fischer

2 Inhalt 1) Der Large Hadron Collider 2) Physik am CMS Detektor 3) Anforderungen an CMS 4) Aufbau des CMS 5) Erste Messungen 2

3 Der Large Hadron Collider pp-collider mit s=14tev Design Luminosität: L = 1034 cm 2 s 1 Tevatron: Lmax = 1032 cm 2 s Bunches, 1,1 x 1011 Protonen pro Bunch Kollisionsfrequenz: 40 MHz, d.h. alle 25ns Stromverbrauch: 120 MW Beschleuniger MW Infrastruktur (entspricht Personen Haushalte) Betrieb mit Pb-Ionen: s=1150tev Start: Sommer

4 Physik am CMS-Detektor Higgs- Physik Aktuelles Limit von LEP: mh 114,4 GeV Hadronische Zerfälle (H X + Jets) dominieren, sind aber schlecht zu detektieren. Goldener Kanal : Zerfallskanal mit klarer Signatur. mh = GeV: H γγ mh 600 GeV: H ZZ, ZZ* 4 Leptonen Beide Kanäle haben kleines Branching Ratio, sind aber besser zu detektieren Rob McPherson, University of Victoria Matthias Kerner Detektion von harten Photonen und Leptonen 4

5 Physik am CMS-Detektor Supersymmetry (SUSY) Erzeugung von 2 supersymmetrischen Teilchen in pp-kollisionen Annahme: R-Parität ist erhalten Teilchen zerfallen im Detektor bis zum leichtesten supersymmetrischen Teilchen (LSP), das nur schwach wechselwirkt und entkommt LSP p p ~ g q ~ q q χ~ 01 ~ l χ~ 02 l l Rob McPherson, University of Victoria miss Detektion durch fehlende Energie ET im Detektor 5

6 Physik am CMS-Detektor B-Physik und und und... B-Physik und t-physik: Produktion von instabilen B-Mesonen cτ 450 μm, p=20 GeV, mb 4,2 GeV Sekundärvertex ca. 1,8 mm vom Primärvertex entfernt Armin Scheurer, EKP Karlsruhe Produktion von einem t t -Paar pro Sekunde Dominierender Zerfall: t W+ b Rückverfolgung der Spuren zum Sekundärvertex ( b-tagging ) Extra Dimensionen: Erzeugung des Gravitions möglich miss Detektion durch fehlenden Transversalimpuls pt im Detektor Massive Vektor Bosonen: Mögliche Zerfälle Z` e+e- und Z` μ+μbisheriges Limit mz '> GeV (je nach Theorie) Detektion von harten Leptonen 6

7 Anfoderungen an den CMS-Detektor Hadronische Kalorimeter Allgemein: Hohe Raten Schneller Detektor Hermetischer Detektor Strahlenhart Spurdetektor: Hohe Auflösung Silizium-Tracker: Pixel + Streifen Elektromag. Kalorimeter: für 2e- und 2γ-Events Richtungsbestimmung von Photonen Hohe Granularität Erkennung von π0 γγ Homogenes ECAL mit Preshower-Detektor Gute Separation von Jets Starke Segmentierung Vollständige Absorption von Jets Moderate Energieauflösung Myonensystem + Magnet: Sichere μ+/μ- - Identifikation Δp/p Starkes Magentfeld Solenoid Trigger + Datenanalyse: Kleine Wirkungsquerschnitte: Datenreduktion: 40 MHz 100Hz Handhabung von überlagerten Signalen ( pile up ) Weltweiter Zugriff auf Daten und Rechenleistung Grid 7

8 ϕ Detektoraufbau: θ Spurdetektor (Tracker) Elektromagnetisches Kalorimeter (ECAL) Hadronisches Kalorimeter (HCAL) Solenoid-Magnet Myonenkammern Vorwärtskalorimeter Barrel Endkappe Pseudorapidität: = ln tan /2 Maße: 21x15x15m Gewicht: t Senkrechte zum Strahlrohr: η = 0 θ = 45 η = 1 Strahlrohr: η 8

9 Magnet Supraleitende SolenoidSpule Magnetfeld: Innen: 4T Außen: 2T T = 4,5K Kühlung mit flüssigem He Eisenjoch als Rückführung des Magnetfelds Beispiel: 100 GeV Myon für B = 4T p r= = 83m q B Starkes und homogenes Magnetfeld Gute Impulsbestimmung möglich 9

10 Tracker Funktionsprinzip: In Sperrrichtung gepolte Silizium Halbleiterdiode Geladenes Teilchen erzeugt Elektronen-Lochpaare Trennung im elektrischen Feld Spannungsimpuls Vortrag T. Liamsuwan, 2005 Aufbau: 1,1m Radius, 5,4m Länge Pixel- und Streifendetektoren η=

11 Tracker Pixeltracker: Für r 10cm: 3 Lagen 100 x 150μm Pixelgröße, Gesamtfläche 1m², 66 Millionen Pixel Auflösung 10-20μm Technical Design Report Streifentracker: 200m² Gesamtfläche Streifengröße: 10cm x 80μm und 25cm x 180μm 9,6 Millionen Streifen EKP Karlsruhe an Entwicklung und Bau der Streifendetektoren beteiligt 11

12 Tracker Barrel des Streifendetektors Petal-Produktion in Karlsruhe für Endkappe des Streifendetektors 12

13 ECAL PbWO4-Kristalle: Szintillation Barrel: 2,2x2,2x23cm, Endkappe: 3x3x22cm Hohe Dichte: ρ = 8,28 g/cm³ Strahlungslänge X0= 0,89cm kompaktes Kalorimeter Schnell: Emission von 80% des Lichts in 25ns Homogenes Kalorimeter Geringe Lichtausbeute: Photonen pro MeV (1,3% von NaI) Lichtausbeute ist Temperatur empfindlich Betrieb bei (18 ± 0,1) C 13

14 ECAL Kristalle insgesamt: Volumen: 10m3 Gewicht: 90t Dicke: 25 X0 (Strahlungslängen) In-situ Kalibration des ECAL durch Z ee Zerfälle möglich Aus Test-Beam Experimenten E 3,63 % 124 MeV = 0,26 % E E E [GeV ] Technical Design Report Preshower-Detektor Motivation: π0 γγ Zerfall kann im ECAL ein einzelnes, hochenergetisches Photon vortäuschen Sampling Kalorimeter aus Pb und Si-Streifendetektoren: Pb + Si + Pb + Si (quer) Streifendetektor: 2mm Streifenabstand bessere Ortsauflösung als ECAL Betrieb bei -10 bis -15 C!! 14

15 HCAL Sampling Kalorimeter: Messing + Szintillator-Platten Aufbau: Barrel bis η =1,4 Endkappe 1,3 < η < 3,0 Dicke in Wechselwirkungslänge λi: 7-11 (Abhängig von η) Auflösung aus bei Test-Beams: E 65 % = 5 % E E [GeV ] Outer barrel HCAL: Szintillator-Platten außerhalb des Magnets für η < 1,26 Vorwärtskalorimeter: 3 < η < 5 Stahl + eingebettete Quarzfasern Cherenkov-Licht in Quarzfasern Weitere Angaben: Durchmesser: 6m Dicke: 1,1m Gewicht:1150t 15

16 HCAL Tower Technical Design Report HCAL Segmentierung Barrel: Endkappe: Δη x Δϕ = 0,087 x 0, Tower Δη x Δϕ = 0,087 x 0,087 bzw. Δη x Δϕ = 0,087 x 0,17/0, Tower Vergleich: Typische Jet-Ausdehnung: Δη x Δϕ = 0,5 x 0,5 Signale eines Towers werden mit Glasfasern zusammengeführt Photodetektoren Barrel: Hybrid Photo Diodes (Segmentierte Silizium-Dioden) Endkappe: Photomultiplier 16

17 Zwischenstand Magnet Tracker ECAL HCAL 17

18 Myon-Detektor Myonenkammern und Eisen Eisen: Hadronenabschirmung + Rückführjoch des Magnetfelds Myonenkammern: Verschiedene Gasdetektoren je nach Strahlungsniveau, Myonenrate und Magnetfeldstärke: Aluminium Drift Tubes (TD) Cathode Strip Chambers (CSCs) Resistive Plate Chambers (RPCs) Gesamtsystem: m² Aktive Fläche, fast 1 Million Kanäle Technical Design Report 18

19 Myon-Detektor Drift Tubes Ar-CO2 Gasdetektor, Maße: 4,2 x 1,1 cm² x 2,56m Ionisierendes Teilchen erzeugt Elektronen, die zum Anodendraht driften Signal Ortsbestimmung durch Driftzeit s = vdrift Δt 5 mm Langsam (bis zu Δt 400ms) und nur möglich in schwachen Magentfeldern Barrel 2,5 mm Cathode Strip Chambers Gitterförmige Anordnung von Kathoden Streifen und Anoden Drähte Auflösung: μm Verwendbar bei hohen Raten und starken Magnetfeldern Endkappe Technical Design Report 19

20 Myon-Detektor Resistive Plate Chambers Sandwich von zwei Gasdetektoren mit gemeinsamen Auslesestreifen Elektrodenabstand: 2mm und Betrieb im Geiger-Müller-Modus Ionisierendes Teilchen erzeugt lokalen Durchschlag (Funken) Intrinsische Reaktionszeit und Totzeit im Bereich von ns Schneller Detektor zum Triggern, aber nur mäßige räumliche Auflösung Verwendung in Barrel und Endkappe Zweites unabhängiges Myonsystem 2mm 2mm Technical Design Report 20

21 Myon-Detektor Myonkammern im Barrel Myonkammern in Barrel und Endkappe Technical Design Report 21

22 Myon-Detektor Auflösung der Impulsbestimmung von Myonen Technical Design Report 22

23 Level-1 Trigger t=3 μs: Level-1 Trigger Entscheidung: Behalten / Verwerfen CPU CPU CPU CPU t=0: Auslese von primitives : sehr grobe Rohdaten Zwischenspeicher 40 MHz 1 Pb / s Detektordaten ^ 25ns Primitives: z.b. γ, e, μ oder jet mit pt khz Level-2 Trigger Weitere Trigger 100 Hz 1 Pb / Jahr Grid Speicherung + Offline Computing 23

24 Erste Messungen Cosmics Kosmische Höhenstrahlung im Myonensystem und im Tracker 24

25 Erste Messungen Der LHC lief!! kurz : Energiedeposition in Kalorimetern und Myonsystemen, nachdem der Strahl in einen Kollminator ca. 100m vor CMS gelenkt wurde /record/

26 Referenzen CERN/LHCC CMS TDR 8.1, Technical Design Report CERN/LHCC LHCC/P1, Technical Proposal C. Amsler et al., Physics Letters B667, 1 (2008)