Entwicklungsstudien für den ILC: Messungen und Simulationen für eine GEM-TPC Bernhard Ledermanna), Tobias Barvich a), Jochen Kaminski b), Steffen Kappler c), Thomas Müllera) a) Institut für Experimentelle Kernphysik, Universität Karlsruhe (TH) b) SLAC, Menlo Park, USA c) 3. Physikalisches Institut, RWTH Aachen DPG-Frühjahrstagung 6.3.27 Heidelberg
Experimentelles Programm (Karlsruhe, CERN, DESY) CERN Proton-Synchrotron, Pionen, klar definierte Spuren => Ortsauflösung bei starker Diffusion beam line Karlsruhe: kosmische Teilchen => Erste Tests, starke Diffusion DESY bis 5.5T, kosmische Teilchen => geringe Diffusion, TDR-Gas bei 4T wie im TESLA-TDR, nur kurze Driftdistanzen DESY-Teststrahl und 1T Magnet => Kombination, Ortsauflösungsstudien für verschiedene Pad-Strukturen
Der Karlsruher GEM-TPC-Prototyp - Einige Details Benutzte Gasverstärkungs-Stufe: Doppel-GEM-Struktur Standard-GEMs (p=14µm, D=7µm, d=6µm) Aktive Fläche: 1x1 cm² 2 mm Abstände (E T=2.5kV/cm, E I=3.5kV/cm) Existierende Auslese-Geometrien: Pad-Größe: 1.27 x 12.5 mm² ; normale rechteckige Pads Pad-Größe: 2. x 6. mm² ; normale rechteckige Pads, Staggered Pads, rhombische Pads, Chevrons, Combs, 3und1 Zusätzlich Geometrien in der MonteCarlo-Simulation: Variationen von Combs, Chevrons, etc, unterschiedliche Pad-Breiten
Die TPC-MonteCarlo-Simulations-Software Aufbau und Funktionsweise Driftweg Physikalischer Prozess Sekundäre Ionisation / Cluster-Bildung Primäre e - Ionisation Simulationsschritt Berechnung der Trajektorie Verteilung der Elektronen Cluster-Bildung Reichweite der sekundären e - Diffusion im Driftvolumen elektrisches Feld Zuordnung zu Löchern von GEM1 Verstärkung in den GEM-Löchern Verbreiterung nach GEM1 Diffusion in der Transfer-Lücke GEM2 und eventuell GEM3 Diffusion in der Induktions-Lücke Zuordung zu den Pads Signalformung (Shaping)
Die TPC-Rekonstruktions- und Analyse-Software Cluster-Bestimmung: Position durch COG, Breite durch RMS (alternativ Gauß-Fit) Spur-Bestimmung: kombinatorischer Track-Finder lineare oder parabolische Regression (alternativ Fit) Residuen-Bestimmung: Distanz zwischen Cluster-Position und Spur (unabh. für x und z) Ortsauflösung: Gaußsche Breite der Residuen-Verteilung "geometric mean"-methode: incl excl s.r. = incl excl : Residuenbreite der Spur mit Test-Cluster ( included) : Residuenbreite der Spur ohne Test-Cluster ( excluded) Theorie und Vergleich mit simulierten Daten zeigen optimale Übereinstimmung für diese Methode 25 2 15 1 5 Pad-Reihe res_x -1 -.8 -.6 -.4 -.2 -.2.4.6.8 1 Residuen-Verteilung (mm)
Transversaler Diffusionskoeffizient (µm/ ) trans 2 MagBoltz-Simulation Gemessene Werte Was passiert im Magnetfeld? Magnetfeld (T) 2 D trans x Spur T 5T Signalhöhe [bel. Einh.] 2 1.8 1.6 1.4 1.2 korr 1.8 RMS.6.4.2 x COG x korr.5 1 1.5 2 2.5 3 4T m 2m trans 3 X-Position [bel. Einh.] => Sehr oft werden nur 1 oder 2 Pads getroffen, speziell für 2x6mm²-Pads => UND: res trans Padbreite 12 Senkrechte Spuren mit TDR-Gas bei 4T: 367 / 577 m primäre Cluster-Breite (sonst: ) e_pro_pad COG und RMS arbeiten nicht fehlerfrei, Verschiebung hin zur Pad-Mitte
COG-Korrekturmethoden 2 Korrekturmethoden entwickelt: In Simulation gaußförmige Ladungs-Verteilung auf Pads verteilt -> Zuordnung von gemessener Position und Breite zu "wahren" Werten Benutzung der Spur zur Berechnung typischer Positionsverschiebungen in Abhängigkeit von der Position auf dem Pad -> Nicht geeignet für Rekonstruktion im wahren Experiment Übereinstimmung bei normalen und Staggered-Pads -> Korrektur okay! ABER: Unkorrigierbar, falls "wahre" Breite / Padbreite kleiner als 1/3 # Cluster [bel. Einh.] ohne COG- Korrektur normal staggered mit COG- Korrektur Doppel- Gauß Transversale Residuen [bel. Einh.] Mögliche Auswege: breitere Cluster (Verbreiterung durch größere Induktions-Lücke) schmale Pads (hier sind 1.27 mm das absolute Minimum, Kosten?!?) immenses S2N-Verhältnis (kann Effekt aber nicht ausgleichen) neue Pad-Geometrien (verbesserte Ladungsverteilung über die Pads)
Extrapolation durch "Äquivalente Driftdistanz" Primäre Cluster-Breite von Messung bei tatsächlicher Driftdistanz und ILC-Konfiguration (TDR-Gas, 4T) bei äquivalenter Driftdistanz sind identisch Verschiedene Messreihen (1.27 x 12.5 mm² Pads): z =z trans drift akt 2 D trans eq ( ) ( TDR,4T D ) 2 trans Trans. Ortsauflösung [µm] 35 3 25 2 15 1 5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Tatsächliche Driftdistanz [cm] absolutes theoretisches Limit 255 1 15 2 25 Äquivalente Driftdistanz [cm]
2 S/N=15 TDR-Vorgaben 16 12 tsr [µm] lsr [µm] 8 S/N= S/N=25 Absolutes theoretisches Limit 8 4 5 1 15 2 25 Äquivalente Driftdistanz [cm] 1 S/N=15 TDR-Vorgaben 8 S/N= 8 6 S/N=25 Absolutes theoretisches Limit 3 25 2 15 1 5 Ergebnisse des Messprogramms 1.27 x 12.5 mm² 5 1 15 2 25 4 2 5 1 15 2 25 Äquivalente Driftdistanz [cm] S/N=7 TDR-Vorgaben S/N=7 S/N=1 Absolutes theoretisches Limit 8 S/N= Äquivalente Driftdistanz [cm] 9 8 S/N= TDR-Vorgaben 7 Absolutes theoretisches Limit S/N=1 5 tsr [µm] lsr [µm] 2x6mm² 3 1 1.27 x 12.5 mm² 2x6mm² 5 1 15 2 25 Äquivalente Driftdistanz [cm] Überschätzung durch COG
Verbesserung bei kurzen Driftdistanzen? tsr [µm] 3 25 2 15 1 5 Simulation: 2 x 6 mm² Pads, 2.5 1x6mm² 2 4 6 8 1 Driftdistanz [cm] Neue Pad-Strukturen haben keinen wirklich positiven Effekt Verbesserung erlangt man durch kleinere Pads oder verbreiterte Cluster
Vorschlag zur optimalen Konfiguration des GEM-Aufbaus Simulation: 3 S/N=95 S/N=25 S/N=135 25 2 TDR-Vorgaben Absolutes theoretisches Limit 15 tsr [µm] lsr [µm] 8 S/N= 1 S/N=35 5 3 GEMs zur Gasverstärkung Gas: TDR-Gas oder P5-Gas (CF 4?) Pads: normal rechteckig Induktionslücke: 1 mm keine Beeinflussung der Optimierung des Ionenrückflusses 5 1 15 2 25 Driftdistanz [cm] 1 S/N=95 TDR-Vorgaben 8 S/N=25 8 S/N= Absolutes theoretisches Limit 6 S/N=135 4 S/N=35 2 5 1 15 2 25 Driftdistanz [cm]
Transversale Ortsauflösung [µm] Transversale Ortsauflösung [µm] 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 2 18 16 14 12 1 8 6 4 Geneigte Spuren - Messergebnisse DESY-M-TDR-4T -15-1 -5 5 Inklination [ ] 2-4 -3-2 -1 1 2 3 Inklination [ ] Longitudinale Ortsauflösung [µm] Longitudinale Ortsauflösung [µm] 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 8 7 6 5 4 3 2 1-15 -1-5 5 Inklination [ ] -4-3 -2-1 1 2 3 Inklination [ ]
Transversale Ortsauflösung [µm] Transversale Ortsauflösung [µm] 4 35 3 25 2 15 1 5 4 35 3 25 2 15 1 5 Geneigte Spuren - Messergebnisse KA-Co-P5 KA-Co-P1-4 -2 2 4 Inklination [ ] KA-Co-P5 KA-Co-P1-2 -1 1 2 Inklination [ ] Longitudinale Ortsauflösung [µm] Longitudinale Ortsauflösung [µm] 45 4 35 3 25 2 15 1 5 8 7 6 5 4 3 2 1 KA-Co-P5 KA-Co-P1-4 -2 2 4 Inklination [ ] KA-Co-P5 KA-Co-P1-2 -1 1 2 Inklination [ ]
25 2 15 1 5 Geneigte Spuren - Simulation 25 2 15 1 5 1 5-5 -1 Tesla-TDR-1.27 Inklination [ ] 5 1 15 2 25 5 1 15 2 25-1 -5 5 1 25 2 15 1 5 1 5 Inklination [ ] Tesla-TDR-2. Tesla-TDR-2.-3GEMs Transversale Ortsauflösung [µm] -5-1 Inklination [ ] 5 1 15 2 25 Transversale Ortsauflösung [µm] Transversale Ortsauflösung [µm] Driftstrecke [mm] Driftstrecke [mm] Driftstrecke [mm] Unterschied durch Länge der Pads Verbesserung durch verbreiterte Cluster nur bei kurzen Pads und geringer Inklination
Zusammenfassung Simulationsergebnisse: 1cm 2cm Trans. Ortsauflösung ( = ) Trans. Ortsauflösung ( = 2 ) Long. Ortsauflösung ( = 65µm 255µm 2µm 19µm 31µm 72µm Energieauflösung Padreihen-Effizienz <4% > 99.3% => TESLA-TDR-Vorgaben sind erfüllbar Konzept der GEM-TPC hat sich in stabilem Betrieb durch exzellentes Verhalten bewährt und kann für ILC und weitere Experimente empfohlen werden.