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Perspektiven der experimentellen Hochenergiephysik - Teil 2 135.284 Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie.

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1 Perspektiven der experimentellen Hochenergiephysik - Teil Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften c/o CERN/EP, CH-1211 Genf 23 Tel , GSM: http: //home.cern.ch/~wulz Nov. 2001

2 Teilchendetektoren Kein einzelner Detektor ist optimal, um gleichzeitig Zeit, Position, Impuls und Energie von Teilchen zu messen sowie sie zu identifizieren. Photonen Elektronen Müonen Pionen, Protonen Neutronen innen... außen... D etektor TrackerElektrom. Hadron- Müonsystem Kalorimeter kalorim.

3 Zeitmessung Geladene Teilchen erleiden Energieverlust durch Anregung und Ionisierung von Atomen im Detektormedium. Ein Teil der Anregungsenergie erscheint in geeigneten Medien als sichtbares Licht, das in Lichtleitern durch Vielfachreflexion zu einem Auslesegerät transportiert werden kann -> Szintillationszähler. Photoelektronenvervielfacher (Photomultiplier, PM) sind oft verwendete Auslesegeräte. Elektrische Pulse bis zu 1 bis 10 ns (organische Szintillatoren, Wellenlängenschieber notwendig). Zeitauflösung bis zu 200 ps -> Verwendung im Trigger! Verwendung als Koinzidenzzähler und zur Strahldefinition. Probleme: Anpassung der Szintillatorgeometrie an den PM sowie Arbeit in Magnetfeldern.

4 Photoelektronenvervielfacher ] Glühkathode (Photokathode) Licht vom Szintillator 1. Dynode …………. Anode

5 Photoelektronenvervielfacher Photokathode: e werden durch Photoeffekt frei. Dynoden: Sekundäremissionselektroden mit sukzessive wachsender Potentialdifferenz PMs haben i.a. 10 bis 14 Stufen. Verstärkungsfaktoren (Gain) bis zu 10 8 können erreicht werden. Die verschiedenen Spannungen an den Dynoden werden durch Spannungsteiler erzeugt. Die Effizienz für Photoelektronenkonversion an der Kathode hängt stark von der Frequenz des einfallenden Lichtes sowie vom Material ab. Für die meisten Metalle ist < 0.1%! Halbleiter haben zwischen 10 und 30%. GaP (dotiert mit Zink und Cäsium) hat 80%! ist für ca. 400 nm Wellenlänge am größten. Anz. der freigewordenen Photoelektronen Anz. der auf die Kathode treffenden Photonen ( ) Quanteneffizienz ( ) =

6 Eigenschaften einiger Szintillatoren NaI(Tl) BGO CsI(Tl) Polystyren +p-tetra??phenyl Zerfallszeit / ns max (nm) Relative Lichtausbeute (in %??) Szintillatoren erzeugen große Ausgangspulse mit kurzer Anstiegszeit. Jedoch ist die räumliche Auflösung schlecht, da keine klare Korrelation zwischen Teilchentrajektorie und Puls besteht. Braucht man räumliche Information, ordnet man mehrere kleine Szintillationszähler in einem Hodoskop an. Um z.B. einen Strahl genau zu definieren, nimmt man mehrere Zähler in Koinzidenz (Beam Telescope). Vor allem in Teststrahlen (Test Beams) von Bedeutung. Strahldefinition

7 Pion-Zerfall in photographischer Emulsion Historische Beispiele: photographische Emulsionen, Nebelkammer, Blasenkammer Auflösung < 1 m, kontinuierlich sensitiv, Ereignisse müssen mit dem Mikroskop gesucht werden! C. Lattes et al., Nature 159 (1947) 694 Ortsmessung 600 m e

8 K+K+ + 3 cm Blei } GeladenesV-Ereignis: K + -> + + cm Blei Rochester & Butler, Nature 160 (1947) 855 Nebelkammer Sensitiv nur während der Expansionszeit, lange Totzeit danach durch Blasenkammer ersetzt.

9 Blasenkammerereignis (neutrale Ströme)

10 Proportionalkammern 10 4 bis 10 5 V/cm -> Anzahl der Sekundärelektronen ist proportional zur Anzahl der Primärionenpaare ( 10 5 / Primärionenpaar). Gasgefüllt. Quenching - Komponente nötig, um die Ausbreitung von Elektronen bzw. Ionen zu stoppen. Proportionalzählrohr +V 0 Signal Anodendraht Kathode

11 Charpak (1968, Nobelpreis 1993) Auflösung: m, 30 ns Multiwire Proportional Chamber (MWPC) Äquipotential- und Feldlinien in MWPC L 5-8 mm, d 1-2 mm, Drahtdurchmesser m Kathode Anoden- drähte Kathode Nur 1 Koordinate durch Adressen der getroffenen Drähte!

12 Möglichkeiten zur Messung der zweiten Koordinate x-y (u-v) - Konfiguration Multiwire Proportional Chamber (MWPC) Gekreuzte Drahtebenen Geistertreffer, daher nur für niedrige Multiplizitäten Charge Division y L Teilchenspur Anodendraht ADC (Analog/Digital - Konverter) QBQB QAQA ADC y Q A ___ = ___________ L Q A + Q B y ___ ) 0.4 % ( L

13 Multiwire Proportional Chamber (MWPC)

14 Driftkammer Ersatz von MWPC. Auflösung m. Szintillationszähler startet einen Timer (TDC) und definiert t 0. t 1 ist die Ankunftszeit der Elektronen am Draht. v D muß möglichst konstant sein. TypischeWerte um 5 cm/ s. Eine Driftzelle ist typischerweise einige cm lang bzw. breit. toto t1t1 Driftzelle t0t0 t1t1

15 Driftkammer Driftkammern gibt es in planaren (z.B. CMS-Experiment am CERN) und zylindrischen Anordnungen (Jetkammern, z.B. OPAL- Experiment am CERN).

16 Driftkammer Straw Tracker des ATLAS-Experiments

17 Streamerkammer Gasverstärkung 10 8 Elektronen pro Primärionenpaar -> Streamermode (lokales Plasma) -> durch Rekombination von Ionen entsteht sichtbares Licht von den Streamern -> elektrischer Puls. Elektroden sind parallele Platten, HV kV/cm. Auflösung ca. 200 m. Elektrisches Analogon zur Blasenkammer.

18 Resistive Plate Chamber (RPC) Abgeleitet von Proportionalkammern. Arbeitspunkt nahe dem Streamer Mode (starke Photonemission). Zeitdispersion: 1-2 ns -> geeignet zum Triggern! RPCs gibt es auch in Anordnungen mit mehreren Gasgaps. Dadurch erreicht man bessere Effizienz und zeitliche Auflösung.

19 Time Projection Chamber (TPC) 3-dimensionaler Spurendetektor, der auf Ideen der MWPC und der Driftkammer basiert. Hauptsächlich in Verwendung bei e + e - - Collidern und Ionenexperimenten. Die TPC besteht aus einem großen, gasgefüllten Zylinder mit einer dünnen HV-Elektrodenplatte in der Mitte -> uniformes E-Feld. Zusätzlich wird ein paralleles B-Feld angelegt. An den Stirnseiten des Zylinders sind Sektoren von Ebenen aus Anodendrähten angeordnet (Endkappen). Parallel zu jedem Draht liegen Kathodenpads. Die durch den Durchgang eines Teilchens erzeugten Elektronen driften zu den Endkappen. 1 Koordinate ist durch die Position der getroffenen Anode gegeben, die 2. durch das auf den Kathodenpads induzierte Signal. Die 3. Koordinate entlang der Zylinderachse ist durch die Driftzeit der Ionisationselektronen gegeben. Man erhält viele Raumpunkte entlang einer Spur. Zur Vermeidung von Diffusion ist das Magnetfeld vorhanden. Signalamplituden an den Endkappen sind proportional zum Energieverlust dE/dx. Der Impuls kann aus der Krümmung bestimmt werden -> Teilchenidentifikation.

20 Time Projection Chamber (TPC) Kathodenpads Anodendrähte Endkappen Driftende Elektronen Hochspannung Elektronen driften Elektrisches Feld paralleles Magnetfeld Teilchen Hochspannungs- ebene

21 Time Projection Chamber (TPC) ca Spuren

22 Halbleiterdetektoren Elektron-Loch-Paare spielen die Rolle von Elektron-Ionen-Paaren in Gasdetektoren. np + - Abreicherungszone ohne Vorspannung Abreicherungszone mit Vorspannung p-n Übergang mit Sperrspannung Durch Anlegen einer Sperrspannung (ca. 100V) wird die dünne Abreicherungszone auf den ganzen Bereich ausgedehnt. Durch Energieabgabe in der abgereicherten Zone (durch geladene Teilchen oder Photonen) entstehen freie Elektron-Loch-Paare. Im elektrischen Feld driften die Elektronen zur n-Seite, die Löcher zur p- Seite - es entsteht ein meßbarer Strom.

23 Silizium-Mikrostrip-Detektoren Diese werden als Präzisionstracker benützt. Sehr gute Auflösung, bis zu 5 m (durch Charge Division). Rauminformation durch Segmentierung der p-Schicht -> einseitiger Mikrostripdetektor. Doppelseitige durch zusätzliche Segmentierung der n-Schicht.

24 Silizium-Mikrostrip-Detektoren Zwei 15x15 cm2 Silizium-Mikrostrip-Detektoren mit Auslesechip (CMS-Experiment)

25 Silizium-Mikrostrip-Detektoren Tracker des DELPHI-Experiments

26 Silizium-Pixel-Detektoren Diodenmatrix aus Silizium Ausleseelektronik mit gleicher Geometrie Verbindung durch Bump Bonding 16x24 Pixel-Matrix (BELLE) 50 m 100 m

27 Silizium-Pixel-Detektoren Ereignis im DELPHI-Vertexdetektor 1.2 M Pixels Hitauflösung 10 m im Barrel cm

28 Der Impuls wurd durch Messung der gekrümmten Bahnen geladener Teilchen im Magnetfeld festgestellt -> Spektrometer. Bei Collidern um den Wechselwirkungspunkt angeordnet. Impulsmessung Dipol Solenoid Dipol Feldlinien normal zur Strahlrichtung. Beste Impulsauflösung für Teilchen in Vorwärtsrichtung. Oft in Fixed Target Experimenten. Solenoid Feldlinien parallel zur Strahlrichtung. Beste Impulsauflösung für Teilchen in normal zur Strahlrichtung.

29 Magnetfeldkonfigurationen von ATLAS und CMS ATLAS Toroide + zentrales Solenoid CMS langes Solenoid

30 ATLAS-Detektor A Toroidal LHC Apparatus

31 CMS-Detektor Compact Muon Solenoid

32 Kalorimeter Kalorimeter messen Energie und Position. Prinzip: totale Absorption. Messung von geladenen und neutralen Teilchen möglich. Während der Absorption tritt das Teilchen mit dem Absorbermaterial in Wechselwirkung, erzeugt Sekundärteilchen, die weitere Teilchen erzeugen -> Kaskade (Schauer). Deshalb heißen Kalorimeter auch Schauerzähler. Der Schauer entwickelt sich hauptsächlich in Längsrichtung. Kleinere transversale Komponente durch Vielfachstreuung und Transversal- impulskomponenten der erzeugten Teilchen. Energiemessung L r 0 = RMS = 1/2, r RMS = L 0 0 = _____________ z L/X 0 { ln(L/X 0 )} 13.6 MeV cp X 0 … Strahlungslänge z …. Ladung

33 Kalorimeter sind zum Nachweis hochenergetischer Teilchen besonders geeignet. Der Absorptionsprozeß ist ein statistischer Prozeß, deshalb gilt bei hohen Energien: Es gibt 2 Grundtypen von Kalorimetern: homogene und Sandwichkalorimeter Homogene Kalorimeter Absorber und Detektor in einem, z.B. Bleiglas. Nur elektromagn. Kal. Sandwichkalorimeter Absorber (Pb, Fe, Cu, …) und Detektor (Szintillator, …) in abwechselnden Schichten (Sampling-Kalorimeter). Kalorimeter dienen normalerweise zum Nachweis von nur einer Teilchenart (e/, Hadronen). Eigenschaften von elektromagnetischen und hadronischen Schauern sind nicht gleich. Energiemessung _____ ~ ___ E 1 E

34 Elektromagnetische Schauer Hochenergetische e + /e - : Energieverlust hautpsächlich durch Bremsstrah- lung. Hochenergetische Photonen: Energieverlust hauptsächlich durch Paarerzeugung. Es entsteht eine Kaskade von e + /e - -Paaren und Photonen, bis die Energien der Sekundärelektronen unter die kritische Energie E c fallen, bei der Ionisationsverluste gleich den Bremsstrahlungsverlusten werden (E c 600 MeV/Z). Transversale Ausdehnung eines elektromagnetischen Schauers (95% des Schauerkonus ist in einem Zylinder mit Radius 2 RM enthalten)(Molière-Radius): E s … m e c 2 4 = 21.2 MeV, X 0 in g/cm 2 z.B. Bleiglas: R M = 1.8 X 0 = 3.6 cm R M = X 0 ___ E s E c

35 Longitudinale Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers Einfaches Modell: Jedes e mit E > E c (Anfangsenergie E 0, E 0 >> E c ) gibt nach 1 X 0 die Hälfte seiner Energie an ein Bremsstrahlungsphoton ab, jedes Photon mit E > E c gibt nach 1 X 0 seine Energie durch Erzeugung eines e + /e - - Paares ab. Elektronen mit E < E c strahlen nicht mehr und verlieren den Rest ihrer Energie durch Kollisionen. e+e+ e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e+e+ e+e+ e-e- t = 0124 Strahlungslängen

36 Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers Nach t Strahlungslängen ca. 2 t Teilchen im Schauer. Mittlere Energie der e/ : Die Schauerentwicklung hört auf, wenn E(t) = E c. Elektromagnetischer Schauer in Nebelkammer E0E0 2t2t E t (t) = ____ t max = t (E c ) = ____________ ln (E 0 /E c ) ln 2

37 Elektromagnetische Kalorimeter Typische Längenausdehnung: für 30 GeV Teilchen --> mehr als 20 X 0. Energieauflösung: a … Stochastischer Term; a (2 … 15)% A b … Konstanter Term (Inhomogenitäten, Interzellkalibration, Nichtlinearitäten) -> dominiert bei hohen Energien; b (0.5 … 5) % c …Noiseterm (Elektronisches Rauschen, Radioaktivität, Pile-up) Die räumliche und die Winkelauflösung zeigen auch ein 1/ E - Verhalten. _______ = ___ + b + __ (E) a c E E E

38 Hadronische Schauer Qualitativ ähnlich den em. Schauern, jedoch treten komplexere (inelastische) Prozesse auf. Mehr Fluktuationen -> schlechtere Energieauflösung als für em. Kalorimeter. Typisch: a (50 … 100)%, b (4 … 10)%. Die Größe des Schauers ist definiert durch dei Absorptionslänge a. Diese ist immer größer als X 0 -> Hadronkalorimeter sind immer dicker als em. Kalorimeter. Typische Dicken: 10 a und mehr. Verlust durch Kernanregung, Leakage von Zerfallsmüonen und Neutrinos aus dem Kalorimeter -> sichtbare Energie 20 bis 30% kleiner als für Elektronen -> Nichtlinearität! Kompensation kann man jedoch durch geschickte Anordnung der Samples und andere Methoden erreichen.

39 Teilchenidentifikation Unterscheidung von /K, K/p, e/, / 0,... Kalorimeter, Müondetektoren, Vertexdetektoren … Methoden hängen sehr vom interessanten Energiebereich ab. Möglich sind die gleichzeitige Messung von dE/dx und p, Flugzeit, die Verwendung von Cerenkovlicht sowie Übergangsstrahlung.dE/dx-Messung Gleichzeitige Messung von p und dE/dx definiert die Masse und somit die Identität eines Teilchens. p = m 1 2 dE/dx ~ ___ ln ( 2 2 )

40 dE/dx-Messung Mittlerer Energieverlust für e,,, K, p in 80/20 Ar/CH 4 } /K - Trennung erfordert dE/dx-Auflösung von < 2.5%! e K p

41 Monte-Carlo dE/dx im DELPHI-Mikrovertexdetektor p K Daten e

42 Flugzeitzähler (Time of Flight Counter) Limitiert auf Teilchen mit Impulsen kleiner als wenige GeV. t für Weglänge von L = 1m Szintillator mit t = 300 ps p/K-Trennung bis 1 GeV t = __ ( __ - __ ) ____ (m m 2 2 ) L c Lc 2p 2

43 Cerenkovzähler Beim Durchgang eines geladenen Teilchens mit Geschwindigkeit v durch ein Medium mit Brechnungsindex n werden angeregte Atome in der Nähe des Teilchens polarisiert. Ist v > c/n, erscheint ein Teil der Anregungsenergie als kohärente Strahlung, die in einem typischen Winkel zur Bewegungsrichtung auftritt. Eine Bestimmung von liefert ein direktes Maß für die Geschwindigkeit. Im Vergleich zu einem typischen Szintillator (10 4 /cm 2 ) werden wenige Photonen emittiert. Deshalb sind Cerenkovzähler mehrere m lang. v > c/n n > 1 cos = ____ 1 n Wellenfront ct/n ct

44 Cerenkovzähler Cerenkovzähler werden in 2 Betriebsarten verwendet: 1)Schwellenmodus (Threshold mode) 1) Schwellenmodus (Threshold mode) Zum Nachweis von Teilchen, deren Geschwindigkeit einen gewissen Wert überschreitet. wird nicht explizit gemessen. Annahme: 2 Teilchen mit 1 und 2 sind bei einem gegebenen Impuls p zu unterscheiden. In einem geeigneten Medium, in dem 1 n > 1 2 n ist, erzeugt Teilchen 1 Cerenkovstrahlung, Teilchen 2 jedoch nicht., bei dem das Teilchen Cerenkovlicht zu erzeugen beginnt: Schwelle = E/mc 2 Mediumn-1Photonen/cm Schwelle ___________________________________________________________________________________________ He CO Silikagel Wasser Glas

45 Cerenkovzähler 2)Differentieller Modus (Fokussiermodus) 2) Differentieller Modus (Fokussiermodus) Hier wird der Winkel durch ein Spiegelsystem gemessen. Wenn alle Teilchen in dieselbe Richtung fliegen, kann der Kegel des Cerenkovlichts auf eine Schlitzblende fokussiert werden und mit einem PM ausgelesen werden. Man kann den gewünschten Geschwindigkeitsbereich entweder durch Adjustierung der Blende auswählen oder den Brechungsindex durch Veränderung des Druckes oder der Zusammensetzung des Gases verändern. Prisma Blende Medium sphärischer Spiegel zu PMs

46 Cerenkovzähler RICH Wenn Teilchen nicht parallel zu einer fixen Achse fliegen, muß man einen RICH (Ring Imaging Cerenkov Counter) verwenden. In manchen Collider- Experimenten verwendet. wird durch Schnitt des Cerenkovkegels mit einer photosensitiven Ebene bestimmt. Spiegel Cerenkov- medium

47 DELPHI-RICH Ein RICH mit 2 Medien erlaubt /K/p-Trennung von 0.7 bis 45 GeV z.B. in DELPHI und SLD

48 DELPHI-RICH 2 Teilchen in einem Hadronjet aus einem Z-Zerfall im gasförmigen und flüssigen Cerenkov-Medium. /K - Trennung

49 Übergangsstrahlung Für sehr hohe Energien ( 1000). Übergangsstrahlung tritt auf, wenn geladene Teilchen durch Schichten mit verschiedenen dielektrischen Eigenschaften durchgehen. Die Intensität der emittierten Strahlung (im optischen und im Röntgenbereich) reflektiert die Teilchenenergie E = m c 2, nicht die Geschwindigkeit. Besonders benützt zur Elektronidentifikation (z.B. bei H1 am DESY, D0 am Fermilab oder ATLAS am CERN). Unterscheidung von möglich ab p > 1 GeV. Ein Röntgenquantum wird nur mit Wahrscheinlichkeit 1% pro Übergang emittiert -> mehrere 100 Übergänge in der Praxis, z.B. Li oder Plastikfolien in Gas. ATLAS TRT-Prototyp (Transition Radiation Tracker)


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