Kalorimeter Antonia Strübig 18.01.2010 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Übersicht Einleitung Wechselwirkung mit Materie Kalorimeter ATLAS CMS LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Einleitung Kalorimetrie : latein. calor = Wärme 1 Einleitung Kalorimetrie : latein. calor = Wärme Energiemessung durch totale Absorption LHC Strahlenergie : 108 J 108 J bringen 239 kg Wasser zum Kochen Partikel mit 1 GeV in 1l Wasser: ΔT= 3,8 . 10-34K Teilchendetektoren benötigen präzisere Methoden zu Energiebestimmung! LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Kalorimeter besteht aus Absorber und Detektor. Einleitung 2 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 18.01.2010

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 18.01.2010

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010 Wechselwirkung mit Materie 3 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Bremsstrahlung Wechselwirkung mit dem Coulombfeld der Kerne Wechselwirkung mit Materie 4 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 18.01.2010

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 18.01.2010

Energieverlust für Elektronen Wechselwirkung mit Materie 6 Energieverlust für Elektronen LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Photonen Abschwächung mit Photoeffekt (Eγ <100 keV) Wechselwirkung mit Materie 7 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 18.01.2010

Energieverlust für Photonen Wechselwirkung mit Materie 8 Energieverlust für Photonen LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Hadronen Neben el.magn. auch starke Wechselwirkung elastische Wechselwirkung mit Materie 9 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 18.01.2010

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 18.01.2010

transversale Schauerentwicklung Kalorimeter 11 longitudinale und transversale Schauerentwicklung Molière-Radius R(95%) = 2 RM L(98%) = 2,5 tmax LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Energieauflösung Gesamtlänge Schauer stochastisch „noise“ Kalorimeter 12 Gesamtlänge Schauer Energieauflösung stochastisch „noise“ elektronisches Rauschen Radioaktivität „pile up“ konstant Kalibrierungsfehler Inhomogenität Nichtlinearität Qualität des Detektors LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

hadronische Schauer bei Kernwechselwirkung übertragene pT Kalorimeter 13 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 18.01.2010

Hadronen generieren el.magn. und hadronische Schauer Kalorimeter 14 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 18.01.2010

Wie kann man Kompensation erreichen? Kalorimeter 15 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 18.01.2010

Kalorimeter 16 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 18.01.2010

Typische Szintillationskristalle Kalorimeter 17 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 18.01.2010

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 18.01.2010

Sampling Fluktuationen Kalorimeter 19 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 18.01.2010

Teilchenidentifikation Kalorimeter 20 Teilchenidentifikation Trennung e- und Hadronen Energieschwerpunkt Schauerbreite e- und Myon Energiedeposition π0 und Photon Unterscheidung ein oder zwei Schauer LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Kalorimetergrössen Pseudorapidität Körnung „Granularity“ LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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 18.01.2010

ECal: |η| < 1,4 HEC: |η| = 1,4 – 4,8 EMEC: |η| < 3,2 ATLAS 23 HCal ECal ECal: |η| < 1,4 HEC: |η| = 1,4 – 4,8 EMEC: |η| < 3,2 HCal: |η| < 1,6 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Liquid Argon Sampling Kalorimeter ATLAS 24 Liquid Argon Sampling Kalorimeter Akkordeonförmige Elektroden hohe Ortsauflösung Körnung = 0,003 x 0,1 - 0,025 x 0,025 Temperatur = 89,3 K LAr Funktionsprinzip Ionisationskammer LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Elektroden aus Blei und Stahl Auslese über aufgeätzte Streifen ATLAS 25 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 18.01.2010

Einspeisung el. Puls direkt auf Elektrode ATLAS 26 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 18.01.2010

Tile Calorimeter Körnung Δη x ΔΦ = 0,1 x 0,1 Missing Energy mind. 9 λa ATLAS 27 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 18.01.2010

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 18.01.2010

Elektronenkalorimeter CMS 29 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 18.01.2010

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010 CMS 30 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

Kalibrierung und Monitoring CMS 31 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 18.01.2010

Kristall allein: a = 0,45% (280GeV) CMS 32 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 18.01.2010

Hadronkalorimeter 79 cm Kupferabsorber → 5,15 λa CMS 33 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 18.01.2010

Danke für's Zuhören LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010