Detektorsysteme: Der ATLAS-Detektor am LHC

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1 1 Johannes Gutenberg-Universität Mainz Institut für Physik / Institut für Kernphysik Seminar zum Fortgeschrittenen-Praktikum WS 2008/09 Leitung: Prof. Dr. S. Tapprogge, Dr. M. Distler Betreuer: Prof. L. Koepke, Frank Ellinghaus Referent: Christian Hauswald Datum: 17. November 2008 Detektorsysteme: Der ATLAS-Detektor am LHC 1 Einleitung Aktuelle Fragen der Teilchenphysik lassen sich oftmals nur mit sehr großen Beschleunigeranlagen beantworten. Nur diese liefern die enormen Energien welche nötig sind um die schweren Bausteine unserer Materie und die Austauschteilchen zu erzeugen und damit auch untersuchen zu können. Hier kommen Detektorsysteme ins Spiel welche aus mehreren verschieden Einzeldetektoren aufgebaut sind und somit durch Messung der Trajektorien, Impulse und Energien der Teilchen ein umfassendes Verständnis der Vorgänge ermöglichen. Sie erlauben damit auch die Messung der Gesamtenergie aller detektierbaren Teilchen, welches unter anderem auch Rückschlüsse über die Entdeckung neuartiger Teilchen erlaubt. Wie genau ein Detektorsystem aufgebaut ist und funktioniert soll im Folgenden anhand des ATLAS-Detektors am LHC/Cern erläutert werden. 2 Der ATLAS-Detektor 2.1 Ziele Das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) hat nun schon über lange Jahre hinweg sehr gute Übereinstimmungen mit den Ergebnissen in Experimenten gezeigt. Jedoch bleiben noch immer einige Fragen offen. Bisher war es nicht möglich einen experimentellen Nachweis des Higgs-Bosons zu erbringen, welches eine entscheidende Rolle im Konzept des Standartmodells einnimmt. Dieser Nachweis und weitere Fragestellungen bezüglich der Parameter des SM soll nun vom ATLAS-Detektor übernommen werden. Ausserdem ist der ATLAS-Detektor so konzipiert, dass er Ausschau nach einer Physik jenseits des Standardmodells halten soll. Durch die hohen Energien die bei der Kollision der Protonen freigesetzt werden könnten neuartige Teilchen entstehen, welche Hinweise auf z.b. eine mit Supersymmetrie bezeichnete Struktur der Bausteine unseres Universums liefern könnten.

2 2 2.2 Aufbau Der Solenoid-Magnet Beim ATLAS-Detektor handelt es sich um einen Collider-Detektor, das bedeutet die einzelnen Detektoren sind Zwiebelschalen -artig um den Kollisionspunkt der Teilchenstrahlen angeordnet. Dies erlaubt eine maximale Ausnutzung des Raumwinkels unter Berücksichtigung der Zylindersymmetrie des Magnetfeldes des Solenoid-Magneten. Insgesamt ist der Detektor rund 46 m lang und 25 m breit und wiegt ca t. An der knapp 16 Jahre andauernden Entwicklung waren über 1900 Wissenschaftler aus 35 Ländern beteiligt. Es handelt sich damit um den größten Collider-Detektoren der Welt. Der gesamte Detektor kann grob in vier einzelne Systeme zerlegt werden: 1) Der Innere Detektor welche die Spur von geladenen Teilchen misst, 2) das Kalorimeter, bestehend aus einem Elektromagnetischen- und einem hadronischen Kalorimeter welche die Energien der jeweiligen Teilchen messen können, 3) dem Myon-Spektrometer welches in erster Linie die Spur von Myonen messen soll und 4) dem Magnetsystem aus Solenoid und Toroid-Magneten welche die starken Magnetfelder erzeugen um geladene Teilchen im Inneren des Detektors auf gekrümmte Bahnen zu lenken. Im folgenden werden die einzelnen Komponenten näher betrachtet und deren Funktionsweise erläutert. Der 5 Tonnen schwere Solenoid-Magnet umschliesst den Inneren Detektor und erzeugt in diesem ein Magnetfeld der Stärke zwei Tesla. Dazu werden rund 9 km supraleitendes Kabel benötigt welches von flüssigem Helium gekühlt und von einem Strom von 8000 A durchflossen wird Der Innere Detektor Mit einem Abstand von nur 50 mm befindet sich der Silizium-Pixel-Detektor am nächsten zum Wechselwirkungpunkt. Dieser besteht aus rund 1700 Halbleiter-Modulen auf welchen mehr als 80 Millionen Pixel angeordnet sind. Diese Modulen sind in drei Schichten angebracht und liefern eine Ortsauflösung der Durchgangspunkte von geladenen Teilchen von 14 µm. Der nächste Detektor den die Teilchen passieren ist ein Silizium-Streifendetektor welcher ähnlich wie der Pixel-Detektor funk-

3 3 tioniert, jedoch eine etwas schlechtere Auflösung von 20 µm hat. Teilchen die unter einem sehr kleinen Winkel zum Strahlrohr davonfliegen werden dabei von seperaten Endkappen-Detektoren gemessen welche scheibenförmig senkecht zum Strahlrohr angebracht sind. Um diese beiden Halbleiter-Detektoren ist der Transition-Radiation-Tracker (TRT) angeordnet, welcher aus mehreren hunderttausend Xe-Gas gefüllter Röhrchen besteht, die mit Polyethylen verbunden sind. Durchdringende, geladene Teilchen ionisieren das Xe-Gas und die zum Anodendraht driftenden Elektronen werden als elektrisches Signal erfasst. Da Elektronen im Gegensatz zu Hadronen zwischen den Röhren Übergangsstrahlung erzeugen, ist im TRT auch eine Unterscheidung der beiden Teilchenarten möglich. Insgesamt kann also im Inneren Detektor die durch das Magnetfeld gekrümmte Spur von geladenen Teilchen verfolgt und aus dem Krümmungsradius deren Impuls bestimmt werden, sowie eine Unterscheidung zwischen Elektronen und Hadronen getroffen werden Das Kalorimetersystem und Elektronen zu bestimmen. Es besteht in radialer Richtung aus Bleiplatten zwischen denen sich flüssiges Argon befindet. Die Elektronen und Photonen geben nun durch Bremsstrahlung und Paarerzeugung in den Bleiplatten schrittweise ihre Energie ab, wodurch so genannte elektromagnetische Schauer entstehen. Diese wiederum erzeugen Ionen im Argon und liefern somit ein elektrisches Signal welches proportional zur Teilchenenergie ist. Wichtig ist hierbei, dass das Kalorimeter dick genug ist, das alle Teilchen des Schauers ihre gesamte Energie dort abgeben können. Nur so ist eine zuverlässige Bestimmung der ursprünglichen Energie der Teilchen möglich. Daraufhin treffen die noch verbleibenden Teilchen auf das ebenfalls sehr dicke Hadron-Kalorimeter. Hier sollen nun die Hadronen, wie z.b. Neutronen und Protonen ihr Energie abgeben. Das Prinzip funktioniert dabei ähnlich wie beim elektromagnetischen Kalorimeter. Sowohl beim elektromagnetischen als auch beim hadronischen Kalorimetere unterscheidet dabei man zwischen dem Barrel - Kalorimeter, welches zylinderförmig ist und radial vom Kollisionspunkt wegfliegende Teilchen misst, und dem Endkappen- Kalorimeter, welches scheibenförmig ist und Teilchen untersucht die unter einem sehr kleinen Winkel zum Strahlrohr emittiert werden Die Toroid-Magnete Das innere, elektromagnetische Kalorimeter umschließt den Solenoid-Magneten und hat die Aufgabe die Energie von Photonen Die jeweils 25 Meter langen und 10 Meter breiten Toroid-Magneten erzeugen das zweite sehr starke Magnetfeld von bis zu 4,7 T im ATLAS-Detektor. Dieses soll Myonen auf eine gekrümmte Bahn lenken um deren Impuls berechnen zu können. Zur Erzeugung des Magnetfeldes wird ebenfalls

4 4 supraleitendes Kabel verwendet welches jedoch in den Toroid-Magneten eine Strom von knapp A benötigt. Die Toroid Magneten sind umgeben von Myon-Detektoren welche im nächsten Abschnitt genauer erläutert werden Das Myon-Spektrometer Die Messung des Ortes übernehmen daher Monitored-Drift-Tubes (MDT) und Cathode-Strip-Chambers (CSC) welche auf dem Prinzip von Gasdetektoren aus der Driftzeit von erzeugten Elektronen den Durchflugspunkt der Myonen mit Genauigkeiten von 80 µm messen können. Diese sind jedoch aufgrund von Totzeiteffekten recht langsam. Durch die Messung der Trajektorien der Myonen in diesen Systemen lassen sich die Krümmungradien der Bahnen und damit der Impuls und die Energie der Teilchen sehr genau ermitteln. 2.3 Events Als anschauliches Beispiel ist im folgenden ein mögliches Higgs-Event dargestellt wie es im Detektor gemessen werden könnte: Aufgrund ihrer großen Masse im Gegensatz zu Elektronen geben Myonen auf ihrem Weg durch den Detektor so gut wie keine Energie durch Bremsstrahlung ab und durchdringen diesen somit komplett. Ihre Spur wird also erst ganz Außen gemessen. Das Myon-Detektorsystem besteht aus vier unterschiedlichen Einzeldetektoren. Thin-Gap-Chambers (TGC) und Resistive- Plate-Chambers (RPC) werden als Trigger verwendet, da diese sehr schnell auf durchfliegende Myonen reagieren jedoch keine sehr gute Ortsauflösung besitzen. Auf dem Bild ist der folgende Zerfallskanal für ein Higgs-Teilchen dargestellt: pp Higgs + Jets (1) Higgs e + e µ + µ (2) In diesem Fall entfernen sich die beiden Jets nach oben vom Wechselwirkungspunkt und hinterlassen chrakteristische Spuren

5 5 im elektromagnetischen- und hadronischen Kalorimeter. Diagonal nach unten bewegen sich das Elektron sowie das Positron deren Spur verfolgt wird und welche ihre Energie komplett im elektromagnetischen Kalorimeter abgeben. Senkrecht nach unten bzw nach links sind die beiden Myonen zu sehen welche den Detektor komplett durchfliegen und dabei eine Spur hinterlassen welche Rückschlüsse auf ihren Impuls zulässt. Dabei handelt es sich jedoch nur um eines von sehr vielen Möglichkeiten wie das Higgs entstehen und zerfallen könnte, welche auch stark von der noch nicht bekannten Energie des Teilchen abhängen. 3 Vergleich mit Fixed-Target Detektoren Im Folgenden soll der nun bekannte ATLAS-Detektor als Beispiel für einen Collider-Detektor mit einem Fixed-Target- Detektor verglichen werden. Hierzu betrachten wir den HERMES-Detektor am Deutschen-Elektronen-Synchrotron (DE- SY): 2.4 Datenaufnahme und Trigger Unter vollem Betrieb kommt es im ATLAS- Detektor zu rund 40 Millionen Strahlkreuzungen von Protonen pro Sekunde. Die daraus entstehende Teilchenflut sorgt in den Detektoren für ein enormes Datenaufkommen von 60 TByte pro Sekunde. Diese Daten können nicht alle gespeichert werden, somit wird schon zwei Mikrosekunden nach der Entstehung entschieden welche Daten für eine spätere Analyse behalten werden, der Rest wird sofort gelöscht. Die Entscheidung welche Daten für die Physiker interessant sind übernimmt ein Trigger-System bestehend aus drei Trigger-Leveln. Insgesamt passieren nur etwas 0,000005% der Daten alle drei Trigger und werden gespeichert. Trotz dessen ist das jährliche Datenaufkommen immer noch sehr groß, und zur Bewältigung dessen wird ein Data-Grid- System verwendet, welches Universitäten weltweit ermöglicht an der Auswertung der Daten teilzunehmen. Der wesentliche Unterschied liegt sicherlich in der Geometrie des Detektors. Während bei Collider-Detektoren Zwiebelschalen -förmige Anordnungen der Einzeldetektoren verwendet werden, sind die einzelnen Komponenten bei einem Fixed-Target-Detektor in einem bestimmten Öffnungswinkel hinter dem Target angeordnet. Betrachtet man die einzelnen Detektoren des Fixed-Target-Detektors genauer, so werden die Gemeinsamkeiten mit einem Collider-Detektor deutlich. Auch hier gibt es eine Reihe von Silizium-basierten Halbleiter-Detektoren sowie Driftkammern zur Vermessung der Spur von geladenen Teilchen (hier rot dargestellt). Diese werden ebenfalls von einem starken Magneten(blau) auf eine gekrümmte Bahn gezwungen. Die Detektoren zur Teilchenidentifikation sind grün dargestellt: Der erste von links ist ein RICH(Ring-Imaging- CHerenkov) Detektor, welcher zur Separation von Protonen, Pionen und Kaonen verwendet wird. Danach kommt der

6 6 TRD (Transition-Radiation-Detektor) welcher dem TRT im ATLAS-Detektor sehr ähnlich ist. Daraufhin folgt schließlich ein Kalorimeter zur Energiemessung, und ganz aussen der Myon-Detektor, also genau wie bei ATLAS. Man kann somit sagen dass der prinzipielle Aufbau verschiedener System oftmals sehr ähnlich ist, wobei die Auswahl der benötigten Detektoren natürlich darauf abgestimmt wird was ein Detektorsystem als Ganzes messen soll. 4 Literatur K. Kleinknecht, Detektoren für Teilchenstrahlung (1992), Teubner C. Grupen, Teilchendetektoren, BI Wissenschaftsverlag ATLAS Collaboration (Hrsg.): AT- LAS Detector and Physics Performance. Technical Design Report, Volume 1, CERN/LHCC/99-14,25 May 1999 TDR Vol. I ATLAS Collaboration (Hrsg.): AT- LAS Detector and Physics Performance. Technical Design Report, Volume 2, CERN/LHCC/99-14,25 May 1999 TDR Vol. II