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Detektor für TESLA Markus Schumacher, Universität Bonn Anforderungen Konzepte Entwicklungen.

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Präsentation zum Thema: "Detektor für TESLA Markus Schumacher, Universität Bonn Anforderungen Konzepte Entwicklungen."—  Präsentation transkript:

1 Detektor für TESLA Markus Schumacher, Universität Bonn Anforderungen Konzepte Entwicklungen

2 Physikalische Fragestellungen Beschleuniger mit hoher Luminosität Detektor für Präzisionsmessungen Präzisionsuntersuchungen des Higgs-Sektors des SUSY-Teilchen-Spektrums der Struktur der Raum-Zeit von alternativen Theorien des bekannten Standardmodells (speziell top-Quark und W-Boson) ZHH Selektion von seltenen Prozessen ( = 0.3 fb für ZHH) Genaue Rekonstruktion der Vierer-Impulse von Leptonen, Photonen, Jets und Fehlender Energie

3 Der TESLA e + e - -Linear-Beschleuniger Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s Zeit zw. Kollisionen: 337 ns Ereignisraten Luminosität: 3.4x10 34 cm -2 s -1 (6000xLEP) e + e - qq 330/h e + e - WW 930/h e + e - tt 70/h e + e - HX 17/h e + e - qq 0.1 /Train e + e - X 200 /Train Untergrund: 600 Treffer/BX im Vertexdet. 6 Spuren/BX in TPC Weitere Optionen:, e, e + e -, ep (THERA), eN Schwerpunktsenergie 90 GeV bis GeV

4 Anforderungen an den Detektor uPräzisionsmessungen bei E CM von 90 bis 800 GeV Impuls: (1/p) = 7 x /GeV (1/10 x LEP) Stossparameter: d = 5 m 10 m/p(GeV) (1/ 3 x SLD) Jetenergie : E/E = 0.3/E(GeV) (1/ 2 x LEP) hermetisch bis zu: 5 mrad komplexe Endzustände: 8 Jets oder mehr höhere Spurdichten und höhere Energiedepositionen als bei LEP uZeitstruktur der Kollisionen und Untergrund von Beamstrahlung Auslesegeschwindigkeit / Granularität uStrahlenhärte (fast) kein Problem im Vergleich mit LHC 1. Lage des Vertexdetektors: n/cm 2 /yr 10 9 TESLA, LHC Strahlenbelastung durch Untergrund, kaum durch Physikereignisse Design durch Präzisionsphysik bestimmt, nicht durch Strahlenhärte und Ereignisrate

5 Detektorkonzept Kein Hardware-Trigger, daher keine Totzeit kontinuierliche Datenauslese für einen Bunch Train (1ms) Nullunterdrückung, Treffererkennung, Digitalisierung in FE-Elektronik Spurdetektoren und beide Kalorimeter innerhalb der Spule Magnetfeld 4 Tesla Grosse gasgefüllte zentrale Spurkammer Präzisionsvertexdetektor

6 Beamstrahlung und Maske 6x10 10/BX e + e - /BX + Sekundärteilchen (n,) Unterdrückung benötigt a) Photonen entlang Strahlröhre b) Starkes Magnetfeld: meiste e + e - kollimiert auf kleine Radien c) Spezielle Abschirmung: instrumentierte Maske dennoch: VTX1: 0.03 Treffer/mm 2 /BX TPC: 6 Spuren, 1400,1500n/BX Kalorimeter: 1200 e + e - /BX 8000n/BX E=12GeV/BX

7 Forschungs- und Entwicklungsarbeit F&E Anforderungen verschieden zu LHC Detektoren Grössere Granularität: el.-mag. Kalorimeter: 1/200 LHC Vertexdetektor-Pixelgrösse:1/30 LHC Dünnere Detektoren: Pixellagen: 1/30 x LHC Spurdetektor: 1/6 x LHC Höhere Auflösung: Spurauflösung bis 1/10 x LHC Andere Technologien, da geringere Ereignisrate u. Strahlenbelastung Aber oft profitieren von F&E für LHC (speziell Elektronik) Anforderungen (fast) unabhängig von Beschleunigertechnologie: supraleitend (TESLA) u. normalleitend (NLC,JLC) weltweite, gemeinsame F&E-Aktivitäten F&E braucht Zeit Schon heute beginnen !

8 Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor Macht Higgs Masse ? g Hff ~m f Messung der Verzweigungsverhältnisse H bb,cc,gg mit O(%) Effiziente u. reine ID mittels Sekundär-, Tertiärvertices mit allen Spuren M, /, Q Präzise Messung des Stossparameters d o dodo b: 300 m harmlos c 75 m herausfordernd = 1 bis 2 GeV d = a b/p Ziel: m m.

9 Vertexdetektor: Konzept Pixeldetektor mit 5 Lagen kleiner R1: 15 mm (1/2 SLD) Grösse: 20x20m 2, Punkt = 3 m Dicke: 20m=0.1 %X 0 /Lage 800 Millionen Auslesekanäle Trefferdichte: 0.03 /mm 2 /BX bei R=15mm Pixelsensoren Auslese an beiden Leiterenden in Lage 1: Taktfrequenz 50 MHz, 2500 Pixelreihen komplette Auslesezeit: 50s ~ 150BX <1% aller Pixel mit Treffer Kein Problem für Spurerkennung erwartet

10 Vertexdetektor: Technologieoptionen Etablierte Technologieoption: CCDs Exzellente Erfahrung von SLD (300 Millionen Kanäle) F&E: Effizienz und Stabilität des Ladungstransports Auslesegeschwindigkeit, dünne Sensoren, mechanische Stabilität, Strahlenhärte LCFI Kollaboration: Bristol, Glasgow, Lancaster, Liverpool, Oxford, RAL Neue Technologien: MAPS (Monolithtic Activ Pixel Sensors) und DEPFET (Depleted Field Effect Transistor) jeder Pixel selektiv ansteuerbar nur jeweils eine Zeile aktiv geringerer Leistungsverbrauch erste Signalverarbeitung im Pixel geringeres Rauschen intrinsisch strahlenhärter ??? Fragen wie oben + Herstellung + Betrieb von grossen Pixelmatrizen Steuerung Auslese

11 Vertexdetektor: Technologieoptionen Monolithtic Activ Pixel Sensors (IReS,LEPSI,RAL,Liverpoool, Glasgow,Geneva,NIKHEF) Depleted Field Effect Transistor (Bonn, Mannheim, MPI HLL München) Standard CMOS-Technologie Ladung aus Epitaxial Layer diffundiert thermisch zum N well Ladung wird in der Potentialmulde (internes Gate) gesammelt Modulierung des Transistorstroms

12 Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte Erwartete Auflösung in r,und r,z = /p(GeV)m M c-Quark-ID: Faktor 2 bis 3 besser als SLD 1.Lage bei 1.5 cm wichtig !! Reinheit Effizienz b/b: 80% 80% c/c: 90% 35% - - LEP-c

13 Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte Messung von H xx Mit Genauigkeit von 2.4 % für bb 8.3 % für cc 5.5 % für gg Präzision erlaubt Diskriminierung zwischen SM und MSSM bis zu M A = 1 TeV auf 1Niveau

14 Impulsauflösung: Spurdetektoren Unabhängig vom H Zerfall Rückstossmasse zu : M H, ZH, g ZZH, Spin Winkelverteilung der : Spin, CP,... Ziel: M <0.1x(1/p) = 7x10 -5 /GeV Unterdrückung des Untergrundes gute Auflösung für Rückstossmasse e + e - Z ZH X Schlüsselprozess Präzise Messung der Lepton-Impulse

15 Spurdetektorsystem im Überblick Zentralbereich: Pixelvertexdetektor (VTX) Silizium-Streifendetektor (SIT) Zeitprojektionskammer (TPC) Vorwärtsbereich: Räder in Silziumtechnologie (FTD) Vorwärtsspurkammer (FCH) (z.B. Strawtubes) Anforderungen: Effiziente Spurerkennung/gute Auflösung bis zu kleinsten Winkeln Separate, robuste Spurfindung in TPC (240) und in VTX+SIT (7 Punkte) erlaubt gegenseitige Kalibration, Alignment exzellente Impulsauflösung(1/p) < 7 x /GeV

16 Gasgefüllter oder Silizium Spurdetektor? gasgefüllt Silizium Menschliches Auge bevorzugt links für Spurerkennung

17 Warum eine TPC ? Viele 3-dim. Spurpunkte robuste u. effiziente Spurerkennung auch bei hoher Spurdichte Minimierung des Materials geringer Einfluss auf Kalorimetrie, wenig Vielfachstreung Teilchenidentifikation durch Messung von dE/dx Spurnachweis bis zu grossen Radien (0.4 bis 1.6 m) dE/dx: neue geladene stabile langlebige Teilchen Erkennung von Knickspuren Smuon Muon + Gravitino

18 Design der TPC Viele Spurpunkte: 240 Punktauflösung: = 150 m Gr. Hebelarm: R I/A = 40/160 cm Wenig Material : 3% X 0 TPC: (1/p) = 2.0 x GeV -1 +VTX: (1/p) = 0.7 x GeV -1 + SIT: (1/p) = 0.5 x GeV -1 Auslesezeit 50 s = 160 BX Treffer in TPC 8x10 8 Auslesezellen (1.2MPads+20MHz) 0.1% aller Auslesezellen getroffen Kein Problem für die Spurrekonstruktion

19 Technologien für Gasverstärkung Alternativen: F&E für Gas Electron Multiplier u. MicroMEGAS Elektronsignal auf Pads, 2 dim. Symmetrie, kleiner Abstand zw. Löchern (kaum ExB) intrinsisch bessere Auflösung Unterdrückung des Ionenrückflusses keine Drahtspannung dünnere Endkappen Bisherige TPCs mit Drahtkammer: breites Induktionssignal auf Pads Auflösung limitiert durch: ExB Effekte, Winkel zw. Spur u. Drahtebene starker Ionenrückfluss ohne Gating dicke Endplatte wegen Drahtspannung

20 GEMS und MICROMEGAS F&E: Zeitstabilität und Uniformität der Verstärkung im Magnetfeld, Ionenrückfluss, Gating, Effekt von Raumladungen, Gas, Padstrukturen, Dünne der Endplatten u. Elektronik? Aachen, LBNL, Carleton, Montreal, Victoria, DESY/Hamburg, Karlsruhe, Krakau, MIT, MPI-München, NIKHEF, Novosibirsk, Orsay, Saclay, Rostock Lawine in GEM-Folie Kaskadierung möglich Lawine zwischen Gitter und Pads Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 %

21 Spurdetektoren: Rekonstruktionsgüte M H = 50 MeV, =0.03 M/M = 0.3% (1/p) = 5 x /GeV bei 90 0,Spurrekonstruktion: =98.4% Auflösungen bei 7 o : = mrad, (1/p) = 3 x /GeV ~~

22 Jetenergieauflösung: Kalorimetrie Ziel: E/E = 0.3/E(GeV) LEP-Detektor Ist elektroschwache Symmetrie spontan gebrochen? UG Signal LEP-Detektor:E/E = 0.6(1+|cos Jet)/E(GeV ) Signifikanz = 3 Rekonstruktion des Higgs-Potenzials via Messung von in ZHH qqbbbb

23 Partonimpulse: Kalorimetrie Detektor: Spuren u. Energiedepositionen Energieflussalgorithmus: 4er-Impulse der Teilchen Bildung der Jets = 4er-Impulse der Quarks ZHH qqbbbb Kinematische Fits oft nicht anwendbar wegen Beamstrahlung, ISR und fehlender Energie:, LSPs exzellente Kalorimetrie

24 Kalorimetrie: Jetenergieauflösung E JET = 60% X +/- + 30% +10% n,K 0 Energiefluss Technik : Messung von Geladene Teilchen in Spurkammer Photonen im el.-mag. Kalorimeter Rest (n,K 0 ) im hadron. Kalorimeter Idealfall: E/E = 0.15/E (GeV) für perfekte ID und kein Schauerüberlapp Trennung und ID der einzelnen Teilchen: X 0, R moliere klein: kompakte Schauer X 0 / had klein: Separation von el.-mag. und hadronischen Schauern laterale u. longitudinale Segmentierung Granularität wichtiger als E-Auflösung HCAL ECAL e K,n

25 Kalorimeter: Konzept ECAL: Silizium-Wolfram-Kalorimeter Wolfram ideal: X 0 / had = 1/25, R moliere ~9mm Segmentierung: lateral 1cmx1cm longitudinal: 40 Lagen (24 X 0, 0.9 had ) Auflösung: E/E =0.11/E(GeV) 0.01 = 0.063/E(GeV) 0.024mrad HCAL ECAL I)Tile HCAL Rostfreier Stahl + Szinitillator Segmentierung: lateral 5 2 bis 25 2 cm 2 longitudinal: 9 bis bis 6.2 had II) Digitales HCAL Rostfreier Stahl + Digitale Trefferauslese via RPCs, Drahtkammern, GEMs,... Segmentierung: lateral 1x1 cm 2 longitudinal: wie bei TILE Auflösung: E/E =0.4/E(GeV) 0.05

26 Kalorimeter: F&E In internationaler CALICE Kollaboration (26 Inst., 9 Länder) ECAL: Produktion und Qualitätskontrolle von W-Platten, Design von Si-Sensoren, Ausleseelektronik u. Detektormechanik HCAL: Optimierung der Zellgrössen, Mechanik TILE: Signalausbeute (Lichtleiter, photosensitive Detektoren) DIGITAL: Auslesetechnologie, -elektronik Gemeinsames Auflösungsvermögen, Rekonstruktionsgüte Software-Entwicklung: Energieflussalgorithmen Teststrahluntersuchung mit kombinierten ECAL+HCAL-Modulen hermetisch bis zu 5 mrad: Low Angle Tagger (LAT): 83 bis 27 mrad Silizium-Wolfram (Si-W) Lumi. Kalorimeter (LCAL): 28 bis 5 mrad Diamant-W, Si-W, PbWO -Kristalle Strahlenbelastung: 2 MGy pro Jahr F&E: Cracow,Tel Aviv, Minsk, Prag,Colorado, Protvino,UCL London, Dubna, DESY

27 Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte Granularität des ECAL: = 68mrad/E(GeV) 8mrad ohne Vertexeinschränkung z.B.: Neutralino Gravitino+Photon Photonstossparameter d ~1cm = 22% Dist=((M H - M 12 ) 2 + (M z - M 34 ) 2 + (M H - M 56 ) 2 ) 1/2 ZHH qq bb bb Jetenergie:E/E = 0.3/E (GeV) Signifikanz Sig./UG=6 OPAL

28 Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte E/E = 0.3/E E/E = 0.6/E Falls kein Higgs: Enträtselung der elektro-schwachen Symmetriebrechung mittels Messung von ? Bestimmung der beiden Dijetmassen: Unterscheidung WW und ZZ e + e -WW(ZZ)qqqq

29 Zusammenfassung Präzisionsphysik bestimmt das Detektordesign Anforderungen anders als bei LHC (und LEP) Jetzt F&E für neue Technologien Das Physikpotenzial bei TESLA ist herausragend, die Anforderungen an den Detektor herausfordernd

30 Parallelvorträge zu Detektor F&E: Vertexdetektor: 103.2, 103.7, 106.5, 403.4, 603.6, TPC: 107.1, 205.6, bis 7 Kalorimeter: 607.1, Option:107.6, Weitere Informationen unter: Ein herzliches Danke schön an: Andreas Ludwig, Karsten Büsser, Dean Carlen, Klaus Desch, Rolf Heuer, Thorsten Kuhl, Christoph Rembser, Marcel Trimpl, Norbert Wermes und viele andere aus dem ECFA LC-Workshop


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