HERA-B Großexperiment am HERA-Protonenring des DESY Hamburg Vortrag von Daniel Richter, 23.06.06

Gliederung Überblick Physikalische Motivation Detektoraufbau & Komponenten Triggersystem Probleme

Überblick Was ist HERA-B ? Fixed-Target-Spektrometer am HERA-Ring des DESY Hamburg Int. Kollaboration aus 32 Instituten aus 13 Ländern Draht-Targets im Halo des Protonstrahls, Strahlenergie: 920 GeV, -Resonanz, 10.4 MHz Abmessungen: 8m x 20m x 9m, Gewicht: ca. 1000 T Proposal 1994, Datennahme 1999-2003 Datenauswertung noch nicht abgeschlossen

Überblick Hauptziel: Messung der CP-Verletzung im SM Weitere Forschungsgebiete von HERA-B: Messungen des Wirkungsquerschnitts für Prod. Charmonium Produktion, Quark-Gluon-Plasma, Absorption in Kernmaterie, Hadronisation, gebundene Zustände von Quarks Pentaquarks

Überblick Herausforderungen: Kein Vorbilddetektor vorhanden Hohe Teilchenflüsse und Ereignisraten, damit hohe Strahlenbelastung der Detektorkomp. Hoher Untergrund, effizientes neuartiges Triggerverfahren notw. Neue Detektortechnologien Pionierarbeit und Technologietransfer für LHC

Physikalische Motivation CP-Verletzung der Schwachen WW Untersuchung an B-Mesonen „Goldener Zerfallskanal“ klare Signatur

Physikalische Motivation Asymmetrie in Zerfällen: B-Mesonen entstehen paarweise durch (i) (ii) erlaubt Flavour-Tagging für neutrale B-Mesonen

Physikalische Motivation

Detektoraufbau & Komponenten

Target 8 Drähte auf 2 Stationen, Vakuum Bewegliche Gabeln, schnelle individuelle Anpassung an Protonstrahl, 10Hz, Materialien: C, Ti, Al, W, Pd 1 oder mehrere Drähte gleichzeitig nutzbar Ladungsintegrierer für gleichmäßige Verteilung Szintillatoren überwachen WW-Rate Luminosität fast beliebig justierbar

Target

Target

Si-Vertex-Detektor (SVD) Aufgabe: Rekonstruktion von Sekundärvertizes, Tracking in der Nähe des WW-Punkts 64 doppelseitige Si-Strip-Module in 8 Superlagen, 7 in Vakuumtank+Justiervorrichtung Lebensdauer 1 Jahr für WW-Rate von 40 MHz Stereowinkel zu x,y-Achse von 50x70 mm² sensitive Fläche je Modul, Auflösung:

Si-Vertex-Detektor (SVD)

Si-Vertex-Detektor

Trackingsystem (ITR & OTR) 2 unterschiedliche Technologien ITR: MSGCs + GEM (Gas Electron Multiplier) OTR: Honeycomb Drift Chambers Normalleitender Magnet Feldstärke: 0.8 T, 1 MW Leistung Magnetfeld entlang y-Richtung, einige der Spurkammern im Magnetvolumen angebracht

Trackingsystem (ITR & OTR) Inner Tracker (ITR): 184 MSGCs mit insges. 18 m² Detektorfläche, 140.000 Auslesekanäle,10000 Triggerkanäle 6-25 cm Abstand von Beampipe, hoher Teilchenfluss Dosis: 1 Mrad/Jahr, Teilchenraten bis zu MIP/s/mm² 10 Stationen, 4 Kammern = 1 Layer, Doppellagen Stereowinkel Material: Glassubstrat mit Goldstrips,

Trackingsystem (ITR & OTR) Kammergas: 70% Ar, 30% CO2 Gasverstärkung: (10-100)[GEM] x (200-1000)[Strips]

Trackingsystem (ITR & OTR)

Trackingsystem (ITR & OTR) Outer Tracking (OTR): 20 cm - 6 m Abstand vom Strahl, akt. Fläche 1000 m² Module ebenfalls unter Stereowinkeln Ar-CF4- CO2 Gemisch (65:30:5) in drei Bereiche unterteilt: (i) vor und innerhalb des Magneten (ii) Pattern-Recog.-Area nach dem Magneten (iii) Triggerarea zwischen RICH und ECAL

Trackingsystem (ITR & OTR) 2 verschiedene Kammerdurchmesser (5/10 mm) in Abh. vom Teilchenfluss (ca. 30 MHz/R²)

Trackingsystem (ITR & OTR)

Cherenkov Detektor (RICH) Ring Imaging CHerenkov Counter Primäraufgabe: Identifikation von Hadronen (insbes. Kaonen als Flavour-Tag, Pionen) 108 m³ Radiatorgas (C4F10), kontinuierl. Gasreinigung Sphärischer Spiegel: R=11.4 m (center@Target), gesplittet u. horizontal um 9° gekippt 80 Hexagons, indiv. justierbar Al- und MgF2 beschichtet

Cherenkov Detektor (RICH) 2 ebene Spiegel mit je 18 Elementen Hoher Teilchenfluss (O(1) MHz/cm²) 2250 Photomultiplier mit 4 und 16 Anoden + vorgelagerte Optiken (red. Pixelgröße), 300-480 nm 23808 9x9 mm² Pixel, 3008 18x18 mm² Pixel RICH auch als Tracker nutzbar Ring-Search-Alg. Flugrichtung Vgl. mit SVD + Bahnkrümmung im B-Feld, ECAL

Cherenkov Detektor (RICH)

Kalorimeter (ECAL) 2344 Module vom Shashlik-Typ, ca. 6000 Kanäle Szintillator/Absorber-Sandwich-Struktur Plastik Wellenlängenschieber („Shashlik“) und PMs 11.15 x 11.15 cm² Variable Granularität: 25, 4, 1 Zelle(n)/Modul Schauermaterialien: W-Ni-Fe und Blei (mitte u außen) 20-23 Strahlungslängen tief Ca. 4,7 m x 6,2 m aktive Fläche Auflösung: (0.65+3.5/p) mrad „single Photon“

Kalorimeter (ECAL) Auflösung:

Kalorimeter (ECAL)

Myon-System Hauptaufgaben: Pretriggersignal für FLT Myonen v. Hadronen separieren Myon-Filter + 4 Superlayer Myon Kammern Filter: 3 Layer Eisen und Beton Abschirmung Muon-Layer 1 & 2: 3 Layer Tube/Pad-Chambers mit 1 Layer Gas-Pixel-Chambers (innen)

Myon-System Myon-Layer 3 & 4: 1 Layer Tube/Pad-Chambers, 1 Layer Gas-Pixel-D. Pretrigger, FLT & off Line Analysis

Myon-System

HERA-B Triggersystem Für Akzeptanz von bei Bestimmung von Selten! O(1000) rekonstr. B-Zerfälle benötigt O(1015) Kollisionen mit mehreren WW pro Bunch-crossing, ca. 40 MHz (10.4 MHz HERA + 4 WW je Bunch-crossing) O(150-200) Teilchen pro bunch-crossing alle 96 ns Selten!

HERA-B Triggersystem

HERA-B Triggersystem Effizientes und schnelles Triggersystem Pretrigger: definiert Trackkandidaten für FLT (Leptonpaare) 2 unabhängige Pretrigger: ECAL und Myon-S. ECAL: deponierte Energie Elektron-Kandidat Myon: koinzidente Hits Myon-Kandidat Pretrigger übergibt Kandidaten an FLT

HERA-B Triggersystem First-Level-Trigger: Startpunkt an Pretrigger-Punkten, TFU‘s bestimmen RoI‘s, Kalman Filter TFU‘s suchen in Teilen des Tracking-S. bis Magnet Falls überall Hits Übergabe an TPU, diese bestimmt: Teilchenart, Ladung, Impuls (Look-Up-Tables) TDU bestimmt invariante Masse, kombiniert Spuren Masse ausreichend für Daten an SLB

HERA-B Triggersystem

HERA-B Triggersystem Second-Level-Trigger: „Refining“ der Spuren verw. mehr Detektorinformationen aus dem SLB alle Layer des Trackingsystems + SVD Untersuchung auf Sekundärvertex (große Unterdrückung direkter )

HERA-B Triggersystem 3. & 4. Trigger-Level: Verwendet alle Detektordaten, Spurfit Alle Spuren des Events rekonstruiert und analysiert Liefert Daten zur Detektorkalibration, „Monitoring“ Rekonstruierte c- und b-Hadronen (4thLT) Tagging (4thLT)

Probleme bei HERA-B

Probleme bei HERA-B MSGCs: 1994 konventionelle MSGC instabil unter intensiver Bestrahlung 1995 „diamond-like-coating“ verbessert Oberflächenwiderstand 1996 induz. Durchschläge beobachtet unter Hadr. Bestrahlung (nur 1/3 HERA-B) 1997 GEM & two-step Gasverst. 1998 erneute Durchschläge an GEM andere Feldgeometrie

Probleme bei HERA-B Honeycomb-Chambers: 1998 massive Probleme mit Gasalterung an Serienmodell Ar/DME ersetzt durch Ar/CO2 Honeycomb-Chambers: „Malter currents“ Beschichtung Anodenalterung nach Bestr. CH4 CO2 „Support–Strips“ werden leitend in Gegenwart von H2O Kontrolle des Wassergehalts Serienproduktion um 1.5 a verzögert!

Probleme bei HERA-B Umorientierung: Probleme führen zu Verzögerungen andere Experimente (SLAC, KEK) kommen schneller voran, e+/e- Kollider, „B-Fabriken“ 2000 Hauptziel CP aufgegeben Verändertes Programm bietet völlig neue Möglichkeiten (QCD, Quark-Gluon-Plasma etc.) Hauptziel zwar verfehlt aber Pionierarbeit für kommende Experimente mit ähnl. Anf., LHC