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Teilchendetektoren Teilchenidentifikation Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien.

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Präsentation zum Thema: "Teilchendetektoren Teilchenidentifikation Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien."—  Präsentation transkript:

1 Teilchendetektoren Teilchenidentifikation Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien

2 Themen Was ist Teilchenidentifikation ? Flugzeitmessung Vielfachenergieverlustmessung Cherenkov-Detektoren Übergangsstrahlung

3 4. TIELCHENIDENTIFIZIERUNG WAS IST TEILCHENIDENDIFIZIERUNG ? Bestimmung der Masse stabiler Hadronen:, K, p in Abhängigkeit vor γ L = Flugzeitmessung Vielfach-Energieverlustmessung Cherenkov-Detektoren Übergangsstrahlungs-Detektoren Messung der charakteristischen Lebensdauer (Charm, Beauty, τ-Lepton) Typischer Bereich: bis s Kinematische Methoden Invariante Masse der Zerfallsprodukte Fehlende Energie/Impuls Kalorimetrische Schauerausbreitung von Elektronen (Photonen) vs. Hadron Beruht auf Impulsmessung p=mcßγ, kombiniert mit ß oder γ Messung Diese vier Methoden werden diskutiert

4 4.1 FLUGZEIT- MESSUNG KOMBINIERTE MESSUNG von IMPULS und GESCHWINDIGKEIT revolutioniert (Renaissance) durch Entwicklung hochauflösender RPCs (Timing RPCs) Benötigt werden: σ(Zeit) ~50 ps Bis jetzt : Szintillationszähler, Neuerdings…..Timing-RPCs

5 130 mm active area 70 mm M5 nylon screw to hold fishing-line spacer honeycomb panel (10 mm thick) external glass plates 0.55 mm thick internal glass plates (0.4 mm thick) connection to bring cathode signal to central read-out PCB Honeycomb panel (10 mm thick) PCB with cathode pickup pads 5 gas gaps of 250 micron PCB with anode pickup pads Cross section of double-stack MRPC - ALICE TOF Silicon sealing compound PCB with cathode pickup pads Flat cable connector Differential signal sent from strip to interface card Mylar film (250 micron thick) Double stack - each stack has 5 gaps (i.e. 10 gaps in total) 250 micron gaps with spacers made of fishing line Specifications Resistive plates off-the- shelf soda lime glass 400 micron internal glass 550 micron external glass Resistive coating 5 M /square Detector consists of a stack of glass plates DETAILS der TIMING(MULTIGAP)-RPC

6 ZEITAUFLÖSUNG und EFFIZIENZ ALICE Time of Flight 160 m 2 160,000 channels better than 100 ps time resolution Detector : double stack MRPC - 10 gaps of 250 micron ADC bins pedestal Resolution (ps) Applied differential voltage [+- kV] Applied differential voltage [+- kV] Efficiency [%] n.b. Alice detector R&D ended - design frozen Typical performance

7 = 61.4 ps Time [ps] Entries / 25 ps Time [ps] =64.5 ps Entries / 50 ps ZEITAUFLÖSUNG 20 m cable : TDC are common start - therefore need cable delay 20 ps time resolution 7 m cable : TDC operates on a time stamp principle Big reduction in tails - tails related to length of cable New HPTDC ASIC (25 ps bins)CAMAC TDC (50 ps bins) Hohe Zeitauflösung durch kleine Elektrodenabstände, gute Effizienz durch mehrere Detektor-Einheiten

8 PHYSIKBEISPIEL: ANWENDUNG DER FLUGZEITMESSUNG FÜR, K-IDENTIFIZIERUNG VON CHARM ZERFÄLLE SPEAR: MARKII KOLLABORATION (1976) a)a) bis c) : invariantes Masse Spektrum für beliebige Massenzuordnung der Teilchen b)d) bis f) : gemessene Flugzeit war statistisch verwendet um Teilchenmasse zu bestimmen; eine klare Resonanz ist für den Fall πK gesehen c)g) bis i) wie b),für drei-Körper Zerfälle

9 4.2 VIELFACH – ENERGIEVERLUST(VEV) MESSUNG PRINZIP: Ionisations – Energieverlust ist abhängig βγ Wiederholte Messung des Energieverlustes erlauber Bestimmung von βγ, wenn Impuls bekannt ist PROBLMATIK (1): pro Zentimeter Gas auf Grund von Landauverteilung und Gasverstärkungs-Fluktuationen : Energieverlust hat FBHM ~ 100% typischerweise werden 100 bis 200 Messungen benötigt, um dE/dx mit σ < 5 % zu bestimmen PROBLEMATIK (2) : notwendige Präzision der VEV- Messung erfordert hohe Kontrolle der Messfehler TYPISCHER ANWENDUNGSBEREICH : begrenzt durch Fermi-Plateau auf βγ < ~ 100

10 VIELFACH – ENERGIEVERLUST MESSUNG - Theorie des Ionisationsverlustes verstanden; auf Grund des Interesses an VEV Identifikation erweitert durch Einbezug der Atomnieveaus der Gase im relativistischen Anstieg (5 bis 50 GeV/c) sind Unterschiede im mittleren dE/dx circa 10%; signifikante Identifikation erfordert Genauigkeit von einigen Prozent

11 SYSTEMATISCHE EINFLÜSSE AUF ENERGIEVERLUSTMESSUNG - UNTERSCHIEDLICHE RÄUMLICHE UND ZEITLICHE PRIMÄRE LADUNGSVERTEILUNGRAUMLADUNGSEFFEKTE BEEINFLUSSEN SIGNALVERSTÄRKUNG REINHEIT DER ZÄHLGASE: GERINGE(10 -6 ) VERUNREINIGUNGEN KÖNNEN VERLUST FREIER ELEKTRONEN VERURSACHEN; PROPORTIONALITÄT DER GASVERSTÄRKUNG: FÜR, NICHTLINEARITÄT (SATURATION) DER GASVERSTÄRKUNG; d.h: PRIMÄRER ENERGIEVERLUST REGESTRIERTES SIGNAL ABWEICHUNG IN DER GEOMETRIE DER PROPORTIONALKAMMER - SYSTEMATISCHE FEHLER IN DER AUSLESEELEKTRONIK (VER- - STÄRKUNG,NICHTLINEARITÄTEN)

12 PROBLMATIK (2) : KORREKTUREN… KORREKTUREN : müssen auf 1% - Niveau verstanden werden

13 The Pioneer : PEP4 TPC wurde bei 8.5 atm Gasdruck (80% Ar/20% CH 4 ) betrieben Maximal konnten 185 dE/dx Messungen pro Spur gemacht werden

14 BEISPIEL:dE/dx IDENTIFIKATION IN ALEPH TPC Rekonstruierter Energieverlust dE/dx als Funktion des Impulses Durchgehende Linien geben den mittleren Energieverlust für die angegebenen Teilchen Werte normalisiert auf Eins für minimal ionisierende Teichen

15 Simulated TPC PID separation in the Alice TPC

16 4.3 CHERENKOV DETEKTOREN FÜR GESCHWINDIGKEITSMESSUNG CHERENKOV EFFEKT: Elektromagnetische WW: einfallendes geladenes Teilchen polarisiert Medium zeitlich veränderliches Dipolmoment, wenn Teilchengeschwindigkeit υ > c/n ; n(.λ)... Brechungsindex Abstrahlung unter cosθ ch = 1 /nβ, d.h. eine Messung der Abstrahlrichtung der Cherenkov Photonen erlaubt eine direkte Messung von β

17 Electromagnetic ShowerHadronic Shower Cherenkov Effect

18 CHERENKOV-WINKEL vs β und n Cherenkov Winkel in Abhängigkeit der Teilchengeschwindigkeit β für verschiedenen Brechungindexe n Für sehr relativistische Teilchen ( β ~ 1) ist der entsprechende Winkelbereich sehr klein

19 CHERENKOV - STRAHLUNG CHERENKOV – ENERGIEVERLUST : ist e.m Effekt berechenbar dN/dx ~ 1/λ für n=konst. : dN/dx=2πα Z 2 sin 2 θ CH (1/λ 2 – 1/λ 1 ) ZAHLENBEISPIEL : λ 1 = 400nm ; λ 2 = 700nm dN / dx 4.9 x sin 2 θ c [cm -1 ] für n = β SCH = sin 2 θ CH ~ 2 x dN / dx = 2 x 4, 9 x 10 –1 ~ 1 [cm -1 ] d.h.: ungefähr ein Photon pro Zentimeter abgestrahlt...

20 SCHWELLEN CHERENKOV Diskriminierung zwischen zwei Teilchen gleichen Impulses, p, und verschiedener Massen m 1 β 2 Brechungsindex so gewählt, daß β 2 1/n, β 1 > 1/n Intensität N N ~ (1- 1/ β 1 2 n 2 ) für γ >> 1; β 2 = 1/n N ~ c 2 (m 2 2 γ 2 2 -m 1 γ 1 2 )/p 2 Zahl der Photonen (λ 1 = 400 nm; λ 2 = 700nm) N γ = 490 ε L [cm] c 2 (m 2 2 γ 2 2 –m 1 2 γ 1 2 ) / p 2 ~ L ~ 1/ γ 2 ε … Quanteneffizienz ( typisch 20 bis 30 % )

21 CHERENKOV - RADIATOREN MATERIALn - 1 (SCHWELLE) GLAS0.41 – – 1.37 SZINTILLATOR PLEXIGLAS WASSER AEROGEL0.025 – – 2.7 CO He123

22 Example of a Threshhold Cherenkov System (Tasso)

23 FOKUSIERENDE CHERENKOV DETEKTOREN MODERNE CHERENKOV DETEKTOREN MESSEN: Photonen und deren Abstrahlungsrichtung direkte Geschwindigkeitsmessung PRINZIP : Fokusierung mit sphärischem Spiegel mit Brennweite f Cherenkov - Kegel in Ring fokussiert Ringradius R= f. tgθ CH = f (n/γ sch ) [1-(γ sch /γ) 2 ] 1 /2

24 RICH (Ring Imaging Cherenkov): GESCHWINDIGKEITSAUFLÖSUNG FUNDAMENTALE BEGRENZUNG: Chromatische Aberration Δn / n des Brechungsindex im Cherenkov Radiator ZUSÄTZLICH: geometische Fehler der Ortsmässung der Photonen : Δθ AUFLÖSUNGSVERMÖGEN Δγ / γ = γ 2 β 3 n Δθ / (N 0 L) ½ NACHWEIS DER CHERENKOV – PHOTONEN UV-empfindliche MWPCs : Beigabe von Gasen mit geringem Ionisationspotential Aufdampfen von Photokathoden auf einer Kathodenebene einer MWPC-Struktur

25 BEITRÄGE ZUR AUFLÖSUNG MaterialCF 4 C 4 F 10 Aerogel L [cm] n [mrad] Pthresh (π) [GeV/c] Pthresh (K) [GeV/c] Beispiel: LHCb-Rich

26 AUSLESE METMODEN FÜR CHERENKOV - PHOTONEN UV-EMPFINDLICHE MWPCs (DELPHI,…) MWPC mit UV-empfindlicher Photokathode (CsI auf Padebene ) (COMPASS, ALICE,..) UV-empfindliche Photomltiplier mit hoher Ortsauflösung (geplant für LHC-b…)

27 Nachweis von UV-Photonen durch Ionisation organischer Dämpfe

28

29 DER PIONIER : DELPHI Querschnitt durch den Delphi Detektor: bei grossen Winkeln (Barrel) (niedrigere Impulse) wurden ein Flüssig-Radiator und ein Gas-Radiator verwendet;ebenso bei kleinen Winkeln (höheren Impulsen)

30 PRINZIP des ALICE RICH (HMPID) Auslese mit CsI-Photokathode auf Padebene (Proximity Focusing)

31 CsI photocathodes quantum efficiency Die Herstellung von CsI Photokathoden war lange Zeit Schwarze Magie, wurde aber in den letzten Jahren zu einer reproduzierbaren Methode entwickelt

32 DER TEUFEL SITZT IM DETAIL … gold front surface (0.4 m) nickel barrier layer (7 m) multilayer pcb with metalized holes CsI Photocathode PCBs split into two multilayer circuits (SMD connectors for FEE cards) GROUND PLANE 40 cm 60 cm

33 First event recorded through the full FEE chain GASSIPLEX + ADC + DILOGIC

34 34 HMPID: Installed; being commissioned HMPID (Sept 06)

35 UV-empfindliche Photomultiplier mit hoher Ortsauflösung (LHC-b)

36 FOKUSSIERENDE CHERENKOVS: DIE ASTRONOMISCHE FRONT Whipple Observatory Gute (10 -2 ) Hadronen Unterdrückung durch Analyse des Cherenkov-Lichtes ( EM Schauer sind kollimiert)

37 ÜBERGANGSSTRAHLUNG (ÜST) ÜST : elektromagnetische Effekt, wenn ultrarelativistische Teilchen (γ>>1) durch Grenzfläche zweier Medien mit verschiedener dielektrischer Konstante (ε 1, ε 2 ) fliegen ÜST ist ein em Effekt und deshalb (im Prinzip) genau berechenbar Polarisationsvektor zeitlich veränderliches Potential A (r,w) Strahlung Charakteristische Länge der Neuverteilung der Ladungen : Formationslänge

38 CHARAKTERISISCHE EIGENSCHAFTEN DER ÜST ABGESTRAHLTE GESAMTENERGIE (Pro Materialübergang) W=αγhω P /3π proportional zu Loretzfaktor γ ω p … Plasmafrequenz ; ω p 2 = 4παN A ρ/Am e ω p (Polyethylen) = 20eV TEILCHEN muss FORMATIONSLÄNGE durchlaufen, um signifikant zu strahlen Interferenz Formationslänge : in Luft: einige mm (γ abhängig) Polyethylen : μ m ABGESTRAHLTE PHOTONEN : im Röntgenbereich; einige keV bis 100 keV ZAHL der ABGESTRAHLTEN PHOTONEN ~ W / hν üst ~ O (α) α… Feinstruktur-Konstante Für meßbaren Effekt … hunderte von Materialübergängen benötigt WINKELVERTEILUNG w (θ) ~ 1/γ

39 ÜBERGANGSTRAHLUNG : THEORIE UND EXPERIMENT Wie alle elektromagnetischen Effekte : präzise berechenbar (obwohl die Entwicklung der theoretischen Beschreibung fast 30 Jahre dauerte…) Theorie wird zur Optimierung von : Folienmaterial, Foliendicke, Abstrand,…als Funktion des γ-Bereiches verwendet

40 ÜBERGANGSTRAHLUNG : OPTIMIERUNG Im ALLGEMEINEN : ÜST – PHOTONEN und IONISATION werden in DETEKTOREN überlagert gemessen ( Photonen und Teilchen kollimiert) OPTIMIERUNG: Folien (Fasern) mit sehr niedrigem Z (Li, PE,..) um Absorption minimal zu halten; Detektorgas mit hohem Z (Xe), um Photonen-Absorption relativ zu dE/dx zu optimieren ÜST – PHOTON oder Delta Elektron

41 ATLAS TRT (TRANSITION RADIATION TRACKER) AUFGABE: Elektronen identifikation - bei Nominal-Luminosität (~10 9 Kollisionen/sec) - trotz hohen Untergrundes (Neutronen, Photonen..) LŐSUNG: extrem hohe Granularität des Detektors: Strohhalme : 4 mm Durchmesser Proportional – Röhren gefüllt mit (Xe/CO 2 /O 2 : 70/20/10) AUSLESE: Driftzeit-Messung zur verbesserten Ortsauflösung. Zwei-Schwellen Diskriminatoren erlaubt Cluster-Auslese

42 The detector has been constructed, tested Good quality demonstrated TRT endcap wheels reception Integration work at CERN terminated; installed

43 ATLAS TRD am LHC: KONSTRUKTION UND POTENTIAL e/hadron rejection of ATLAS TRD One of 72 ATLAS TRD Disks

44 DER INNER DETECTOR des ATLAS EXPERIMENTES Länges des TRT: 8 m Durchmesser: 2m

45 ALICE TRD AUFGABE : LÖSUNG: KONSTRUKTION: Modulare Konstruktion Radial : 6 Radiator – Kammer Lagen Gas: Xe (85) : CO 2 (15) Padkammern mit 3cm Drift / Konversions-Volumen Elektronen- Identifikation UND (erstmals) Elecktronen trigger (!) in Ionen-Ionen-Kollsionen mit extrem hoher Teilchenmultiziplität (bis zu ~ pro Ereignis) Spurenvektor Extrem hohe Granularität (1.2 x 10 6 Kanäle) Sehr innovative Auslese-Elektronik, gekoppelt an Sehr innovativen Tracklet - Prozessor

46 ALICE TRD - Principle

47 47 TRD - Signal Generation & Processing

48 48 electron ID in central barrel p>1 GeV/c fast trigger for high momentum particles (hadrons, electrons) 540 detectors ~ 760m 2 18 super modules length: 7m X/X 0 ~ 22 % 28 m 3 Xe/CO 2 (85/15) 1.2 million channels Transition Radiation Detector (TRD) ALICE TRD Status: partially installed; being commissioned

49 49 Particle Identification in ALICE stable hadrons (π, K, p): 100 MeV/c < p < 5 GeV/c; (π and p with ~ 80 % purity to ~ 60 GeV/c) dE/dx in silicon (ITS) and gas (TPC) + time-of-flight (TOF) + Cherenkov (RICH) decay topologies (K 0, K +, K -, Λ, D) K and L decays beyond 10 GeV/c leptons (e,μ ), photons, π 0 electrons TRD: p > 1 GeV/c, muons: p > 5 GeV/c, π 0 in PHOS: 1 < p < 80 GeV/c excellent particle ID up to ~ 50 to 60 GeV/c

50 TEILCHEN IDENTIFIKATION : ZUSAMMENFASSUNG METHODEN perfektioniert, um der Geschwindigkeitsbereich 1 γ < 10,000 abzudecken Manchmal ist die NATUR den Physikern freundlich gesinnt und hat eine Lösung für alle Fälle vorbereitet….


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