Das Beam-Kalorimeter für den International Linear Collider Inhalt: Der International Linear Collider Der Vorwärtsbereich des LDC Anforderungen Das Strahlkalorimeter – BeamCal Beamstrahlung Schnelle Luminositätsmessung Strahlparameter Rekonstruktion Zusammenfassung Ch.Grah DPG-Frühjahrstagung 2006, Dortmund

Der International Linear Collider (500 GeV) ~30 km ML ~10km (G = 31.5MV/m) 20mrad RTML ~1.6km 2mrad BDS 5km e+ Undulator @ 150 GeV (~1.2km) R = 955m E = 5 GeV x2 nicht maßstabsgerecht DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

ILC Zeitplanung Global Design Effort Projekt 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Global Design Effort Projekt Baseline configuration Reference Design Technical Design ILC R&D Program DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Der Vorwärtsbereich des LDC LDC: Large Detector Concept Nachfolger des TESLA Detektors. Eines von insgesamt 4 Detektorkonzepten 2mrad 20mrad DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Vorwärtsbereich - Aufgaben neue 20mrad Geometrie (LDC) LumiCal (26 (43) mrad < θ < 153 mrad) Nachweis von em ww Teilchen mit niedrigem pT Messung von Bhahba‘s mit hoher Präzision => Messung der Luminosität mit BeamCal (5.6 mrad < θ < 28 (46) mrad) Messung und Analyse der Energiedeposition von e+e—Paaren aus Beamstrahlung LHCal „Low angle hadron calorimeter“ PhotoCal (nicht eingezeichnet) Analyse von Beamstrahlung Photonen im Bereich von ~100μrad Minimierung des Untergrundes im Inneren Detektor (z.B. TPC) durch Rückstreuung. 20mrad => Rückstreuung durch Paare, die das LumiCal treffen, alte Geometrie (K.Büsser) DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Beamstrahlung „Pinch-Effekt“ 15000 e+e- pro BX => 10 – 20 TeV e+ e- e+e- Paare aus Beamstrahlung treffen das BeamCal. Deponierte Energie von Paaren bei z = +365 (kein B-Feld) 15000 e+e- pro BX => 10 – 20 TeV ~ 10 MGy pro Jahr “schnelle” Auslese => O(μs) 30 X0 Sandwich Kalorimeter Absorber: Wolfram Sensoren: CVD Diamanten (T 604.3) ca. 15000 Kanäle BeamCal: 4 < θ < 28 mrad DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Magnetfeld Konfigurationen Anpassung der Magnetfeldkonfiguration bei großen Kreuzungswinkeln. Detector Integrated Dipole: Parallel zum einlaufenden Strahl AntiDID: Parallel zum auslaufenden Strahl 20mrad DID 20mrad DID 20mrad AntiDID DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Schnelle Luminositätsmessung Warum benötigen wir ein schnelles Signal von BeamCal? (Größenordnung von einigen Bunch Crossings je 300ns) Wir können signifikant die Luminosität erhöhen! z.B. Verwende die Anzahl der Paare, die das BeamCal treffen im Strahl-Rückkopplungssystem Erhöhung von L von mehr als 12% (500GeV)! Position und Winkel Scan Luminositätsentwicklung während der ersten 600 Packete eines Packetzuges. Ltotal = L(1-600) + L(550600)*(2820-600)/50 G.White QMUL/SLAC DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Beamstrahlung Paar Analyse Ziel: Gewinne durch Analyse der Energiedeposition der Paare im BeamCal Informationen über die Eigenschaften der primären Strahlkollision. Observablen (Beispiele): Totale Energie Erstes radiales Moment Thrust Winkeldispersion E(ring ≥ 4) / Etot E / N l/r, u/d, f/b Asymmetrien Strahl Parameter σx, σy, σz and Δσx, Δσy, Δσz xoffset yoffset Δx offset Δy offset x-Taillenverschiebung y-Taillenverschiebung Packet Rotation N Teilchen/Packet (Banana shape) Detektor: realistische Segmentierung, ideale Auflösung, Packet-Packet Auflösung DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Analyseprogramm (A.Stahl) Analyse Konzept Strahlparameter bestimme Kollision erzeuge beamstrahlung erzeuge e+e- Paare guinea-pig (D.Schulte) Observablen charakterisiere Energiedeposition im Detektor FORTRAN Analyseprogramm (A.Stahl) und/oder GEANT4 Taylor-Erw. 1. Ord. Taylor Matrix Observablen Observablen = + * Δ Strahlpar Lösbar durch Matrixinversion (Moore-Penrose Inversion) nom DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Koeffizienten der Taylor-Matrix Observable j [au] Parametrisierung (polynomial) Steigung beim nom. Wert  Taylor Koeffizient i,j 1 Pkt = 1 bunchcrossing guinea-pig Strahlparameter i [au] DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Analyse für nominale ILC Parameter Nominaler Wert Präzision 2mrad 20mrad 20mrad (2par) sx 655 nm 3.1 2.9 2.8 sx 5.2 7.4 7.6 sy 5.7 nm 0.3 0.2 sy 0.4 sz 300 mm 4.8 8.5 11.1 sz 3.7 6.3 εy 40x10-9mrad 1.7 Dεy 4.2 4.1 4.7 Dx 17.7 9.3 10 Dy 0.5 0.6 N 2x1010 0.01 DN 0.02 0.03 ... ILCNOM, 20mrad DID DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

BeamCal Geant4 Simulation Benötigen präzise Simulation für Schauer/realistisches Magnetfeld. Beinhaltet: Flexible Geometrien (Kreuzungswinkel, Dicke der Lagen, variable Segmentierung) vereinfachtes DiD/antiDiD Magnetfeld + realistisches Magnetfeld (Datei) Eingabe – GP generierte e+e- Paare Ausgabe – Root Tree mit Energiedepositionen in Segmenten 1 BX ~ 400min @ 3.2 GHz CPU (A.Sapronov) Schauervisualisierung 20mrad DID 20mrad AntiDID Energie/Lage DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

Zusammenfassung und Ausblick Die Vorwärtsregion erfüllt wichtige Aufgaben am ILC. BeamCal im besonderen: Intratrain-Rückkopplung des BeamCal-Signals kann die totale Luminosität signifkant erhöhen. Eine schnelle Diagnose der Energiedeposition zur Rekonstruktion von Strahlparametern ist möglich. Analyse ist möglich für verschiedene Kreuzungswinkel/Magnetfeldkonfigurationen und ergibt eine interessante Präzision. Eine detaillierte G4 Simulation ist in der Testphase und wird in der Strahlparameterrekonstruktion verwendet werden. Untersuchung der Korrelationen, insbesondere zur Photonverteilung. Minimierung der notwendigen Informationen vom BeamCal zur Vereinfachung der Auslese. DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC