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1 23.Juni 2006 Sommersemester 2006 Detektoren bei Dr. M. zur Nedden Das L arge H adron C ollider b eauty Experiment am CERN von Regina Kwee.

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1 1 23.Juni 2006 Sommersemester 2006 Detektoren bei Dr. M. zur Nedden Das L arge H adron C ollider b eauty Experiment am CERN von Regina Kwee

2 2 Topics 1.Intro 2.CP-Verletzung bei B-Mesonen 3.Das Experiment und seine Detektoren 4.Triggersystem und Datenerfassung [DAQ]

3 3 Wozu LHCb ? besseres Verständnis von CP-Verletzung –Ursprung? –Beitrag nicht nur vom SM? –CP-Mechanismus und Kosmologie? Überprüfung des SM –Beobachtung seltener Zerälle systematische Suche nach neuer Physik B-Sektor bietet Vielzahl von Zerfällen, wo SM präzise Vorhersagen über CP-V macht! Erweiterung zu BELLE, BaBar und CDF

4 4 CP-Verletzung generiert durch unitäre CKM-Matrix Wolfenstein-Parametrisierung: Reihenentwicklung in

5 5 CP-Verletzung relevant für bekannt bekannt aus Matrix ist eindeutig durch bestimmt !

6 6 CP-Verletzung 9 Unitaritätsbedingungen 6 Unitaritätsdreiecke, davon 2 interessante für B-Mesonen Winkelbestimmung entweder indirekt über die Dreieckseiten oder direkt durch die Vorhersage des SM von CP-Verletzung unterschiedliche Ergebnisse neue Physik…!

7 7 CP-Verletzung indirekt

8 8 Zerfallskanäle direkt Messung von aber stark verunreinigt durch misst auch, aber Prozess ist dominiert durch pinguin loops, SM-Test !

9 9 Zerfallskanäle direkt Messung von SM: kleine CP-Verletzung in Wenn es einen neuen neutralen flavour-ändernden Strom gibt, dann deutlicher Effekt sichtbar!

10 LHCb ist eines der 4 größeren Experimente am CERN Luminosität von Anfang an konstant minimaler bunch crossing Abstand

11 11 Der Detektor Vorwärtsdetektor, denn –B-Hadronen werden in denselben Vorwärts-, bzw. Rückwärtskegel produziert (flavourtag) –bessere Vertexauflösung als bei Zentraldetektor, da näher am IP –Vermessung der doppelten Trajektorie aber –sehr hohere Teilchendichte, d.h. harte Strahlbelastbarkeit für Elektronik, Teilchenfluss von bis zu –Hälfte der Teilchen geht verloren (missing arm)

12 12 Der Detektor Akzeptanz x-z: mrad ; y-z: mrad Seitenansicht

13 13 Tracking System warmer Magnet VeLo-Detektor Tracking Stationen TT, T1, T2, T3 (urspünglich mehr) Strahlrohr Hauptaufgabe: relative Teilchenimpulsauflösung von für jedes geladene Teilchen, entspricht B-Massenauflösung von

14 14 Magnet Geometrie durch Detektor- Akzeptanz bestimmt vertikales Feld mit max.1.1T homogenes B-Feld (essentiell für Spurenrekonstruktion) 9 km Al –Draht in 120kt Stahljoch Datennahme mit Umpolung

15 15 VeLo - Vertex Locator Vertex Rekonstruktion ist DIE entscheidende Aufgabe tasks genaue Zeitauflösung < 50 fs akurate Spurenmessungen nahe am WWP triggert B-Mesonen durch Sekundärvertex HLT detektiert Spuren aller Teilchen innerhalb der LHCb-Akzeptanz

16 16 VeLo - Detektor hardware besteht aus 21 Si-Scheiben entlang der Strahlachse jede Station besteht aus 2 Sensorebenen, die die r- und phi-Komponenten jeder Spur messen pile-up-veto-Zähler: –2 Si-Scheiben bei kleinstem z – verwirft 80% der Mehrfach- WW und behält 95% der Einzel-WW (Simulationen)

17 17 VeLo - Detektor readout FE-Elektronik bis zu den L-0 Buffern sind 7 cm von der Strahlachse angebracht –Analoge Information von Verstärkern wird über 7000 twisted pair-Kabel durch den Vakuum Tank zur readout-Elektronik 10m entfernt übertragen Auflösung Primärvertex –~40 µm in z, ~10 µm in x,y Sekundärvertex –Ø ~ µm (50 fs)

18 18 Trigger – Tracker schickt p T -Information an L1 wird zur offline-Analyse benutzt um Teilchen mit niedrigen Impulsen zu erkennen die nie die T1-T3 erreichen oder außerhalb zerfallen (langlebige neutrale Teilchen) Outer – Tracker ist um T1-T3 gelegen detektiert Spuren mit einem radial Winkel von > 15 mrad moderate Teilchendichte, daher Gas-Drift-Kammern geplant, mit Gasgemisch Ar 75 %-CF4 15%-CO2 10% an T1, T2 T3 höhere Teilchendichte : HL 4 Teile niedrige Belegung durch unterschiedliche Granularität Inner – Tracker

19 19 R ing I maging CH erenkov D etektor Zweck Teilchen Identifikation 3 σ Trennung zw. Pion und Kaon über Impuls-range GeV/c (90%) hohes p T –tag Funktion Abb. von Č -Ringen entlang der Teilchenspur mit gegebenem p T + Ringradius erhält man die Masse verschiedene n R1 R GeV/c5-150 GeV/c

20 20 Kalorimeter Messung der Gesamtenergie für Teilchen mit hohem p T –Scintillating Preshower Detektor, SPD –Preshower, PS –ECAL, HCAL Szintillationsschichten,15mm Auslese nach WL-Shift mit PMP MIPs erzeugen Lichtsignal –SPD: Unterscheidet geladene und neutrale Teilchen –PS: schnelle Pion versus Elektron Verwerfung Trigger SPD, PS ECAL Shashlik-Technologie –Module aus Blei-Absorber-Platten, 2mm Szintillatorschichten, 4mm –25 X 0 dick (1.1 WWL) –design-Auflösung: σ(E)/E =.01/E ^2 HCAL Sampling Struktur –Stahl 4mm, Szintillatorschicht 16mm –5.6 WWL dick –design-Auflösung: σ(E)/E =.64/E + 0.1^2

21 21 Myon Kammer 5 Stationen M1-M5 getrennt vom CAL mit 800mm Stahl Wahl auf MWPCs gefallen –1380 Kammern, 20 unterschiedliche Größen Granularität in horizontaler Ebene feiner (track momentum)

22 22 Front-End-Elektronik Ausleseelektronik für jeden einzelnen Detektor prozessiert die individuellen analogen Signale leitet sie 60m weiter in einen strahlungsfreien Raum (Driver) ODE: Digitalisierung und L1-Prozessierung, LCMS

23 23 Datenverarbeitung DAQ zur Verarbeitung von 40 MB/s : Standard- Multi-Level-System L0, L1 – Trigger: benutzen lokale Detektorinformation HLT - Software - Trigger

24 24 Level-0 Trigger 1. Stufe:L0-pile-up-veto: – rekonsruiert grob und schnell Primärvertex: pro Bunchcrossing können mehrere pp-Kollisionen auftreten (40%). Werden im pile-up mehrere PV gefunden, wird event verworfen. 3 Trigger für hohes-p T –e, had, photon, –cutparameter: hohes E T 1 Myon-Trigger –rekonstruiert Myonspuren –prüft ob high pT Myon von Vertex-Region kommt Level-0-Entscheidung: Kombination aller L0-Trigger Ergebnisse und letzte Entscheidung

25 25 Level-1 Trigger soll falsche hohes p T Ereignisse verwerfen, die zum UG gehören u.a. –MehrfachWW in Detektormaterial, –überlappende Schauer soll events verwerfen, die keine b-Hadronen enthalten, triggern SV führt zero level supression Algorithmus aus klustert hits bei positiver Level-1-Entscheidung HLT

26 26 High-Level-Trigger L2 –eliminiert Ereignisse mit falschem SV mit p T –Info, treten auf bei mehrfach gestreute Niedrig-Impuls-Spuren L3 –volständige und partiellen Rekontruktion der Endzustände –wählt b-Hadron-Zerfälle –200 Hz Speicherrate

27 27 Daten Fluss DAQ

28 28 Referenzen LHCb Technical Proposal, Genf 1998 Doktorarbeit von B. Carron, Lausanne 2005 Doktorarbeit von P.Koppenburg, Lausanne 2002 lhcb.web.cern.ch

29 29 backup

30 30 semileptonische Zerfälle

31 31

32 32 VeLo - Detektor Signalerzeugung geladenes Teilchen ionisiert ein oder zwei Si-Streifen el. Puls zum readout readout besteht aus 16 chips pro Sensor, deren input Rate 40 MHz ist 4µs Zeit werden die gebuffert bis L0-Entscheidung kommt dann serielle Auslese in 32 readout lines zu einer 60 m entfernten, strahlungsreien Umgebung off-Detektor-Prozessierung


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