Kalorimeter Antonia Strübig

Präsentation zum Thema: "Kalorimeter Antonia Strübig"—  Präsentation transkript:

1 Kalorimeter Antonia Strübig 18.01.2010
LHC-Seminar Kalorimeter

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

3 Einleitung Kalorimetrie : latein. calor = Wärme
1 Einleitung Kalorimetrie : latein. calor = Wärme Energiemessung durch totale Absorption LHC Strahlenergie : J 108 J bringen 239 kg Wasser zum Kochen Partikel mit 1 GeV in 1l Wasser: ΔT= 3, K Teilchendetektoren benötigen präzisere Methoden zu Energiebestimmung! LHC-Seminar Kalorimeter

4 Kalorimeter besteht aus Absorber und Detektor.
Einleitung 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 LHC-Seminar Kalorimeter

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

6 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010
Wechselwirkung mit Materie LHC-Seminar Kalorimeter

7 Bremsstrahlung Wechselwirkung mit dem Coulombfeld der Kerne
Wechselwirkung mit Materie Bremsstrahlung Wechselwirkung mit dem Coulombfeld der Kerne Verringerung der kin. Energie des Teilchens → Abstrahlung von Photonen Bedeutung für leichte, schnelle Teilchen stark für Elektronen X0 = Strahlungslänge Charakteristisch für Absorber LHC-Seminar Kalorimeter

8 Wechselwirkung mit Materie 5
kritische Energie Ec : 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 X0 p, β = Impuls und Geschwindigkeit des Teilchens LHC-Seminar Kalorimeter

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

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

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

12 Hadronen Neben el.magn. auch starke Wechselwirkung elastische
Wechselwirkung mit Materie Hadronen Neben el.magn. auch starke Wechselwirkung elastische und inelastische Prozesse → Erzeugung weiterer Teilchen der starken WW Inelastische Prozesse: λa = mittlere Absorptionslänge >> X0 λw → σtotal = Kernwechselwirkungslänge LHC-Seminar Kalorimeter

13 Kalorimeter elektromagnetische Schauer Hochenergiephysik
10 Kalorimeter Hochenergiephysik hauptsächlich Verlust durch Bremsstrahlung (e-) und Paarerzeugung (γ) elektromagnetische Schauer Anzahl Schauerteilchen nach t = x/X0 mit mittlerer Energie sobald E(t)<Ec → nur noch Ionisation bzw. Photo- und Compton-Effekt → Schauer stirbt aus Schauermaximum bei Kalorimetergrösse nimmt nur logarithmisch mit E0 zu! LHC-Seminar Kalorimeter

14 transversale Schauerentwicklung
Kalorimeter longitudinale und transversale Schauerentwicklung Molière-Radius R(95%) = 2 RM L(98%) = 2,5 tmax LHC-Seminar Kalorimeter

15 Energieauflösung Gesamtlänge Schauer stochastisch „noise“
Kalorimeter Gesamtlänge Schauer Energieauflösung stochastisch „noise“ elektronisches Rauschen Radioaktivität „pile up“ konstant Kalibrierungsfehler Inhomogenität Nichtlinearität Qualität des Detektors LHC-Seminar Kalorimeter

16 hadronische Schauer bei Kernwechselwirkung übertragene pT
Kalorimeter hadronische Schauer bei Kernwechselwirkung übertragene pT → grössere transversale Ausdehnung λa > X0 → „ longitudinale „ grössere Kalorimeter Verschiedenste Prozesse tragen zur Bildung eines Hadron-Schauers bei Schauer enthält 2 Komponenten hadronisch + elektromagnetisch 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 LHC-Seminar Kalorimeter

17 Hadronen generieren el.magn. und hadronische Schauer
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 Hadron-Signal wird nicht-linear: Kompensation bedeutet beim Detektordesign eine Rate von e/h=1 zu erzielen. LHC-Seminar Kalorimeter

18 Wie kann man Kompensation erreichen?
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 (σPhoton ~ Z5) „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 Fe/Scint Cu, U/Scint U/LAr LHC-Seminar Kalorimeter

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

20 Typische Szintillationskristalle
Kalorimeter Typische Szintillationskristalle Kristall NaI CsI BGO PWO Dichte (g/cm3) 3,67 4,51 7,13 8,3 X0 (cm) 2,59 1,86 1,12 0,89 λa (cm) 42,9 39,3 22,8 20,7 RM (cm) 4,13 3,57 2,23 2,00 Abklingzeit (ns) 230 1250 300 30 – 10 Lichtausbeute (%) 100 165 21 0,29 - 0,083 LHC-Seminar Kalorimeter

21 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 LHC-Seminar Kalorimeter

22 Sampling Fluktuationen
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 LHC-Seminar Kalorimeter

23 Teilchenidentifikation
Kalorimeter Teilchenidentifikation Trennung e- und Hadronen Energieschwerpunkt Schauerbreite e- und Myon Energiedeposition π0 und Photon Unterscheidung ein oder zwei Schauer LHC-Seminar Kalorimeter

24 Kalorimetergrössen Pseudorapidität Körnung „Granularity“
LHC-Seminar Kalorimeter

25 ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS
22 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 LHC-Seminar Kalorimeter

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

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

28 Elektroden aus Blei und Stahl Auslese über aufgeätzte Streifen
ATLAS Elektroden aus Blei und Stahl Auslese über aufgeätzte Streifen LAr muss von hoher Reinheit sein mögliche Verunreinigung → Sauerstoff und Stickstoff Kühlung durch LN2 Wärmetauscher LHC-Seminar Kalorimeter

29 Einspeisung el. Puls direkt auf Elektrode
ATLAS Kalibrierung über Z0 → e+e- Testbeam Monitoring Einspeisung el. Puls direkt auf Elektrode Reinheits- und Temperatur- Monitoringsysteme Energieauflösung ECal : a = 8 – 11% b = 400 MeV c = 0,7% HEC : a = 60% c = 2% LHC-Seminar Kalorimeter

30 Tile Calorimeter Körnung Δη x ΔΦ = 0,1 x 0,1 Missing Energy mind. 9 λa
ATLAS Tile Calorimeter Körnung Δη x ΔΦ = 0,1 x 0,1 Missing Energy mind. 9 λa 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 LHC-Seminar Kalorimeter

31 CMS – Cern Muon Solenoid
28 CMS – Cern Muon Solenoid L = 21m R = 15m 12500 t schwer 4 Tesla Magnetfeld el.magn. Kalorimeter PbWO4-Kristalle hadronisches Kalorimeter Kupfer + Plastikszintillator LHC-Seminar Kalorimeter

32 Elektronenkalorimeter
CMS Elektronenkalorimeter Kristall PWO Dichte (g/cm3) 8,3 X0 (cm) 0,89 λa (cm) 20,7 RM (cm) 2,00 Abklingzeit (ns) 30 – 10 Lichtausbeute (%) 0,29 - 0,083 Wellenlänge (nm) 440 22 x 22 mm2 PbWO4 Kristalle Auslese mit Avalanche-Dioden → Verstärkung für Endkappen Verwendung von Vakuum-Phototrioden Körnung = 0,0175 x 0,0175 Temperaturschwankung < 0,5°C LHC-Seminar Kalorimeter

33 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010
CMS LHC-Seminar Kalorimeter

34 Kalibrierung und Monitoring
CMS Kalibrierung und Monitoring Existentiell für Kalorimeter! in-situ mit Z0-Zerfall jeder Kristall wird im Teststrahl vorkalibriert isolierte Elektronen mit hohem pT → lokale Kalibrierung Vergleich zu p-Messung des Trackers nach 2 Monaten Kalibrierungsfehler < 1% hohe Strahlenbelastung → verringerte Lichtausbeute ständige Überwachung mittels Lasersystem Injektion von Lichtpulsen zur Überprüfung der gesamten Signalkette LHC-Seminar Kalorimeter

35 Kristall allein: a = 0,45% (280GeV)
CMS 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 LHC-Seminar Kalorimeter

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

37 Danke für's Zuhören LHC-Seminar Kalorimeter