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LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010 Kalorimeter Antonia Strübig 18.01.2010.

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1 LHC-Seminar Kalorimeter Kalorimeter Antonia Strübig

2 LHC-Seminar Kalorimeter Übersicht Einleitung Wechselwirkung mit Materie Kalorimeter ATLAS CMS

3 1 LHC-Seminar Kalorimeter Einleitung Kalorimetrie : latein. calor = Wärme Energiemessung durch totale Absorption LHC Strahlenergie : 10 8 J 10 8 J bringen 239 kg Wasser zum Kochen Partikel mit 1 GeV in 1l Wasser: ΔT= 3, K Teilchendetektoren benötigen präzisere Methoden zu Energiebestimmung!

4 Einleitung 2 LHC-Seminar Kalorimeter Grundlegende Mechanismen der Kalorimetrie: elektromagnetische und hadronische Schauer Die Energie wird durch Ionisation und Anregung von Materie konvertiert. Kalorimeter besteht aus Absorber und Detektor. Signal E Kalorimetrie ist ein destruktive Methode. Energie und Teilchen werden absorbiert. Kalorimetrie kann angewendet werden für: geladene Teilchen (e ±, Hadronen) neutrale Teilchen (γ, n) zusätzliche Information zur Impulsmessung einzige direkte Möglichkeit, um kinematische Informationen über das Teilchen zu erhalten

5 3 LHC-Seminar Kalorimeter Bethe-Bloch-Formel: Wechselwirkung mit Materie Geladene Teilchen Ionisation Herausschlagen eines Elektrons aus dem Atomverband Anregung Anheben eines Elektrons auf ein höheres Energieniveau z = Ladung einfallendes Teilchen Z, A = Kernladungs-, Massenzahl Absorber m e = Elektronenzahl r e = Elektronenradius I = Ionisationskonstante Absorber β,γ = Geschwindigkeit und Lorentzfaktor einfallendes Teilchen δ = Parameter Dichteeffekt

6 Wechselwirkung mit Materie 3 LHC-Seminar Kalorimeter

7 Wechselwirkung mit Materie 4 LHC-Seminar Kalorimeter Bremsstrahlung Wechselwirkung mit dem Coulombfeld der Kerne Verringerung der kin. Energie des Teilchens Abstrahlung von Photonen Bedeutung für leichte, schnelle Teilchen stark für Elektronen X 0 = Strahlungslänge Charakteristisch für Absorber

8 Wechselwirkung mit Materie 5 LHC-Seminar Kalorimeter kritische Energie E c : Energie bei der Ionisations- und Bremsstrahlungsverlust für Elektronen gleich sind Coulomb-Streuung Streuung am Coulomb-Potential der Kerne und Elektronen Abweichung von geradliniger Ausbreitung x = durchquerte Materiedicke in Einheiten von X 0 p, β = Impuls und Geschwindigkeit des Teilchens

9 Wechselwirkung mit Materie 6 LHC-Seminar Kalorimeter Energieverlust für Elektronen

10 Wechselwirkung mit Materie 7 LHC-Seminar Kalorimeter Photonen Photoeffekt (E γ <100 keV) Photon schlägt Elektron aus innerer Atomschale Compton-Effekt (~1 MeV) Streuung an quasifreien Elektronen Paarbildung (E γ >> 1 MeV) Erzeugung von e ± -Paar im Coulombfeld eines Kerns um detektiert zu werden muss das Photon geladene Teilchen erzeugen oder Energie auf sie übertragen Abschwächungmit

11 Wechselwirkung mit Materie 8 LHC-Seminar Kalorimeter Energieverlust für Photonen

12 Wechselwirkung mit Materie 9 LHC-Seminar Kalorimeter Hadronen Neben el.magn. auch starke Wechselwirkung elastische und inelastische Prozesse Erzeugung weiterer Teilchen der starken WW Inelastische Prozesse: λ a = mittlere Absorptionslänge >> X 0 λ w σ total = Kernwechselwirkungslänge

13 10 LHC-Seminar Kalorimeter Kalorimeter Hochenergiephysik hauptsächlich Verlust durch Bremsstrahlung (e - ) und Paarerzeugung (γ) elektromagnetische Schauer Anzahl Schauerteilchen nach t = x/X 0 mit mittlerer Energie sobald E(t)

14 Kalorimeter 11 LHC-Seminar Kalorimeter longitudinale undtransversale Schauerentwicklung L(98%) = 2,5 t max Molière-Radius R(95%) = 2 R M

15 Kalorimeter 12 LHC-Seminar Kalorimeter Gesamtlänge Schauer Energieauflösung stochastischnoise elektronisches Rauschen Radioaktivität pile up konstant Kalibrierungsfehler Inhomogenität Nichtlinearität Qualität des Detektors

16 Kalorimeter 13 LHC-Seminar Kalorimeter hadronische Schauer bei Kernwechselwirkung übertragene p T grössere transversale Ausdehnung λ a > X 0 longitudinale grössere Kalorimeter Verschiedenste Prozesse tragen zur Bildung eines Hadron-Schauers bei Schauer enthält 2 Komponenten elektromagnetisch+hadronisch geladene Hadronen p, π ±, K ± Kernfragmente Aufbrechen von Kernen (Bindungsenergie) Neutronen, Neutrinos, Myonen neutrale Pionen 2γs el.magn. Kaskaden Anzahl Pionen energieabhängig und starken Schwankungen unterworfen unsichtbare Energie starke Energiefluktuationen schlechte Auflösung

17 Kalorimeter 14 LHC-Seminar Kalorimeter Kompensation Hadronen generieren el.magn. und hadronische Schauer bei gleicher Energie Hadron-Signal kleiner als Elektron-Signal Effizienzrate beide Anteile zu detektieren: normalerweise e/h >1 Kompensation bedeutet beim Detektordesign eine Rate von e/h=1 zu erzielen. Hadron-Signal wird nicht-linear:

18 Kalorimeter 15 LHC-Seminar Kalorimeter Wie kann man Kompensation erreichen? Benutzen von Uran-Absorber und wasserstoffreiche Detektoren (erhöht h) bei Wechselwirkung mit Uran entstehen Neutronen und energiereiche Photonen beides erhöht die sichtbare Energie Kombination aus Absorber mit hohem und Detektor mit niedrigem Z (verkleinert e) Unterdrückt Detektion von Niedrigenergie-Photonen (σ Photon ~ Z 5 ) offline Kompensation Korrektur von jedem einzelnen Event durch Software Heutzutage schwer zu realisieren, da zu viele Events entstehen, die detektiert werden müssen. Neutronen relativ langsam Fe/LAr U/LAr Fe/Scint Cu, U/Scint

19 Kalorimeter 16 LHC-Seminar Kalorimeter Homogene Kalorimeter nur für el.magn. Kalorimeter, da die Absorptionslänge der möglichen Materialien zu klein Kostenfaktor Das Absorbermaterial ist gleichzeitig der Detektor. Vorteile: Nachteile: gute Energieauflösungbegrenzte örtliche Auflösung hauptsächlich verwendet: Szintillatoren Beispiele: PWO Kalorimeter bei CMS und ALICE CsI bei BaBar

20 Kalorimeter 17 LHC-Seminar Kalorimeter Typische Szintillationskristalle KristallNaICsIBGOPWO Dichte (g/cm3) 3,674,517,138,3 X 0 (cm) 2,591,861,120,89 λ a (cm) 42,939,322,820,7 R M (cm) 4,133,572,232,00 Abklingzeit (ns) – 10 Lichtausbeute (%) ,29 - 0,083

21 Kalorimeter 18 LHC-Seminar Kalorimeter Sampling Kalorimeter Schichten aus Absorbermaterial und Detektor Absorber: Uran, Blei, Kupfer Möglichkeit Hadronen vollständig zu absorbieren Detektor: Szintillatoren, Halbleiterzähler Flüssige Edelgase (LAr, LKr) Warme Flüssigkeiten (Tetramethylpentane) Zählkammern

22 Kalorimeter 19 LHC-Seminar Kalorimeter Sampling Fluktuationen entscheidender Faktor für Energieauflösung Energiemessung jeweils nur mit Abstand d Auflösung wird mit besser Landau-Fluktuationen zusätzliche knock-off-Elektronen durch Ionisation Leckverluste Ausmasse Kalorimeter ungenügend Teilchen verlassen Kal. undetektiert Rauschen

23 Kalorimeter 20 LHC-Seminar Kalorimeter Teilchenidentifikation Trennung e - und Hadronen Energieschwerpunkt Schauerbreite e - und Myon Energiedeposition π 0 und Photon Unterscheidung ein oder zwei Schauer

24 Kalorimeter 21 LHC-Seminar Kalorimeter Kalorimetergrössen Pseudorapidität Körnung Granularity

25 22 LHC-Seminar Kalorimeter ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS L= 45m R = 22m 7000 t schwer 2 Tesla Magnetfeld el.magn. Kalorimeter Liquid Argon (LAr) hadronisches Kalorimeter Blei-Absorber + Plastikszintillator

26 ATLAS 23 LHC-Seminar Kalorimeter ECal HCal ECal: | η | < 1,4HEC: | η | = 1,4 – 4,8 HCal: | η | < 1,6EMEC: | η | < 3,2

27 ATLAS 24 LHC-Seminar Kalorimeter Liquid Argon Sampling Kalorimeter Akkordeonförmige Elektroden hohe Ortsauflösung Körnung = 0,003 x 0,1 - 0,025 x 0,025 Temperatur = 89,3 K LAr Funktionsprinzip Ionisationskammer

28 ATLAS 25 LHC-Seminar Kalorimeter Elektroden aus Blei und Stahl Auslese über aufgeätzte Streifen LAr muss von hoher Reinheit sein mögliche Verunreinigung Sauerstoff und Stickstoff Kühlung durch LN 2 Wärmetauscher

29 ATLAS 26 LHC-Seminar Kalorimeter Monitoring Energieauflösung Einspeisung el. Puls direkt auf Elektrode Reinheits- und Temperatur- Monitoringsysteme Kalibrierung über Z 0 e + e - Testbeam ECal : a = 8 – 11% b = 400 MeV c = 0,7% HEC : a = 60% c = 2%

30 ATLAS 27 LHC-Seminar Kalorimeter Tile Calorimeter Körnung Δη x ΔΦ = 0,1 x 0,1 Missing Energy mind. 9 λ a zwischen zentralem und äusserem Barrel Intermediate Tile Calorimeter vermindert Energieverluste Energieauflösung: a = 50% Kalibrierung radioaktive Quellen Laser-System Signal auf Photomultiplier Monitoring für Szintillator Lichtausbeute nimmt ab

31 28 LHC-Seminar Kalorimeter CMS – Cern Muon Solenoid L = 21m R = 15m t schwer 4 Tesla Magnetfeld el.magn. Kalorimeter PbWO4-Kristalle hadronisches Kalorimeter Kupfer + Plastikszintillator

32 CMS 29 LHC-Seminar Kalorimeter Elektronenkalorimeter 22 x 22 mm 2 PbWO 4 Kristalle Auslese mit Avalanche-Dioden Verstärkung für Endkappen Verwendung von Vakuum-Phototrioden KristallPWO Dichte (g/cm3) 8,3 X 0 (cm) 0,89 λ a (cm) 20,7 R M (cm) 2,00 Abklingzeit (ns) 30 – 10 Lichtausbeute (%) 0,29 - 0,083 Wellenlänge (nm) 440 Körnung = 0,0175 x 0,0175 Temperaturschwankung < 0,5°C

33 CMS 30 LHC-Seminar Kalorimeter

34 CMS 31 LHC-Seminar Kalorimeter Kalibrierung und Monitoring Existentiell für Kalorimeter! hohe Strahlenbelastung verringerte Lichtausbeute ständige Überwachung mittels Lasersystem Injektion von Lichtpulsen zur Überprüfung der gesamten Signalkette in-situ mit Z 0 -Zerfall jeder Kristall wird im Teststrahl vorkalibriert isolierte Elektronen mit hohem p T lokale Kalibrierung Vergleich zu p-Messung des Trackers nach 2 Monaten Kalibrierungsfehler < 1%

35 CMS 32 LHC-Seminar Kalorimeter Energieauflösung Kristall allein: a = 0,45% (280GeV) Kalorimeter: a = 2,7% b = 155 – 210 MeV c = 0,55% Massenauflösung: ca. 1,7 GeV besonders wichtig für den Higgs-Zerfall in 2 Photonen

36 CMS 33 LHC-Seminar Kalorimeter Hadronkalorimeter 79 cm Kupferabsorber 5,15 λ a 17 Szintillatorplatten Auslese über WLS Fibern Kalibrierung: eingebaute Minirohre, durch die 137 Cs geführt wird Laser-Monitoring Energieauflösung: a = 30 – 40%

37 LHC-Seminar Kalorimeter


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