Teilchendetektoren Teilchenidentifikation Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien

Themen Was ist Teilchenidentifikation ? Flugzeitmessung Vielfachenergieverlustmessung Cherenkov-Detektoren Übergangsstrahlung

4. TIELCHENIDENTIFIZIERUNG WAS IST TEILCHENIDENDIFIZIERUNG ? Bestimmung der Masse ‘stabiler Hadronen: , K, p in Abhängigkeit vor γL = Flugzeitmessung Vielfach-Energieverlustmessung Cherenkov-Detektoren Übergangsstrahlungs-Detektoren Messung der charakteristischen Lebensdauer (Charm, Beauty, τ-Lepton) Typischer Bereich: 10-8 bis 10-13s 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

4.1 FLUGZEIT- MESSUNG Benötigt werden: σ(Zeit) ~50 ps 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

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

ZEITAUFLÖSUNG und EFFIZIENZ ALICE Time of Flight 160 m2 160,000 channels better than 100 ps time resolution Detector : double stack MRPC - 10 gaps of 250 micron Typical performance Resolution (ps) 65 60 55 50 45 40 5.6 6.0 6.4 6.8 Applied differential voltage [+- kV] Efficiency [%] 100 95 90 85 80 75 ADC bins ADC bins pedestal ADC bins n.b. Alice detector R&D ended - design frozen

New HPTDC ASIC (25 ps bins) ZEITAUFLÖSUNG CAMAC TDC (50 ps bins) New HPTDC ASIC (25 ps bins) 10 3 10 3 s = 64.5 ps s = 61.4 ps Entries / 50 ps Entries / 25 ps 10 2 Big reduction in tails - tails related to length of cable 10 2 10 10 1 1 -1000 1000 -1000 -500 500 1000 Time [ps] Time [ps] 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 Hohe Zeitauflösung durch kleine Elektrodenabstände, gute Effizienz durch mehrere Detektor-Einheiten

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

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

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

SYSTEMATISCHE EINFLÜSSE AUF ENERGIEVERLUSTMESSUNG - UNTERSCHIEDLICHE RÄUMLICHE UND ZEITLICHE PRIMÄRE LADUNGSVERTEILUNG→RAUMLADUNGSEFFEKTE 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)

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

The Pioneer : PEP4 TPC wurde bei 8.5 atm Gasdruck (80% Ar/20% CH4 ) betrieben Maximal konnten 185 dE/dx Messungen pro Spur gemacht werden

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

Simulated TPC PID separation in the Alice TPC

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 cosθch = 1 /nβ , d.h. eine Messung der Abstrahlrichtung der Cherenkov Photonen erlaubt eine direkte Messung von β

Electromagnetic Shower Hadronic Shower Cherenkov Effect 17

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

CHERENKOV - STRAHLUNG ist e.m Effekt → berechenbar dN/dx ~ 1/λ CHERENKOV – ENERGIEVERLUST: ist e.m Effekt → berechenbar dN/dx ~ 1/λ für n=konst. : dN/dx=2πα Z2 sin2θCH (1/λ2 – 1/λ1) ZAHLENBEISPIEL : λ1 = 400nm ; λ2 = 700nm dN / dx  4.9 x 102 . sin2 θc [cm-1] für n = 1.001 βSCH = 0.999 sin2θ CH ~ 2 x 10-3 dN / dx = 2 x 4, 9 x 10 –1 ~ 1 [cm-1] d.h.: ungefähr ein Photon pro Zentimeter abgestrahlt...

‘SCHWELLEN’ CHERENKOV Diskriminierung zwischen zwei Teilchen gleichen Impulses, p, und verschiedener Massen m1 < m2 ; β1 > β2 Brechungsindex so gewählt, daß β2 ≤ 1/n, β1 > 1/n Intensität N N ~ (1- 1/ β1 2 n2) für γ >> 1; β2 = 1/n N ~ c2(m22 γ22-m1 γ12)/p2 Zahl der Photonen (λ1 = 400 nm; λ2 = 700nm) Nγ = 490 ε L [cm] c2 (m22 γ22 –m12 γ12) / p2 ~ L ~ 1/ γ2 ε … Quanteneffizienz ( typisch 20 bis 30 % )

CHERENKOV - RADIATOREN MATERIAL n - 1 (SCHWELLE) GLAS 0.41 – 0.75 1.22 – 1.37 SZINTILLATOR 0.58 1.29 PLEXIGLAS 0.48 1.36 WASSER 0.33 1.52 AEROGEL 0.025 – 0.075 4.5 – 2.7 CO2 34.1 He 123

Example of a Threshhold Cherenkov System (Tasso)

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/γsch) [1-(γsch/γ)2 ] 1 /2

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 = γ2 β3 n Δθ / (N0L) ½ NACHWEIS DER CHERENKOV – PHOTONEN UV-empfindliche MWPCs : Beigabe von Gasen mit geringem Ionisationspotential Aufdampfen von Photokathoden auf einer Kathodenebene einer MWPC-Struktur

BEITRÄGE ZUR AUFLÖSUNG Material CF4 C4 F10 Aerogel L [cm] n [mrad] Pthresh (π) [GeV/c] Pthresh (K) [GeV/c] 167 1.005 32 4.4 15.6 85 1.0014 53 2.6 9.3 5 1.03 242 0.6 2.0 Beispiel: LHCb-Rich

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…)

Nachweis von UV-Photonen durch Ionisation organischer Dämpfe

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)

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

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

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

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

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

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

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

ÜBERGANGSSTRAHLUNG (ÜST) ÜST : elektromagnetische Effekt, wenn ultrarelativistische Teilchen (γ>>1) durch Grenzfläche zweier Medien mit verschiedener dielektrischer Konstante (ε1 , ε2) 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

CHARAKTERISISCHE EIGENSCHAFTEN DER ÜST ABGESTRAHLTE GESAMTENERGIE (Pro Materialübergang) W=αγhωP /3π proportional zu Loretzfaktor γ ωp … Plasmafrequenz ; ωp2 = 4παNAρ/Ame ωp (Polyethylen) = 20eV TEILCHEN muss FORMATIONSLÄNGE durchlaufen, um signifikant zu strahlen  Interferenz Formationslänge : in Luft: einige mm (γ abhängig) Polyethylen : 10-20 μ m ABGESTRAHLTE PHOTONEN : im Röntgenbereich; einige keV bis 100 keV ZAHL der ABGESTRAHLTEN PHOTONEN <N> ~ W / hνüst ~ O (α) α… Feinstruktur-Konstante Für meßbaren Effekt … hunderte von Materialübergängen benötigt WINKELVERTEILUNG w (θ) ~ 1/γ

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

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

ATLAS TRT (TRANSITION RADIATION TRACKER) AUFGABE: Elektronen identifikation - bei Nominal-Luminosität (~109 Kollisionen/sec) - trotz hohen Untergrundes (Neutronen, Photonen..) LŐSUNG: extrem hohe Granularität des Detektors: 380000 ‘Strohhalme’ : 4 mm Durchmesser Proportional – Röhren gefüllt mit (Xe/CO2/O2 : 70/20/10) AUSLESE: Driftzeit-Messung zur verbesserten Ortsauflösung. Zwei-Schwellen Diskriminatoren erlaubt ‘Cluster’-Auslese

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

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

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

ALICE TRD Elektronen- Identifikation UND (erstmals) AUFGABE : LÖSUNG: KONSTRUKTION: Modulare Konstruktion Radial : 6 Radiator – Kammer Lagen Gas: Xe (85) : CO2 (15) Padkammern mit 3cm Drift / Konversions-Volumen Elektronen- Identifikation UND (erstmals) Elecktronen trigger (!) in Ionen-Ionen-Kollsionen mit extrem hoher Teilchenmultiziplität (bis zu ~ 50000 pro Ereignis) Spurenvektor Extrem hohe Granularität (1.2 x 106 Kanäle) Sehr innovative Auslese-Elektronik, gekoppelt an Sehr innovativen ‘Tracklet’ - Prozessor

ALICE TRD - Principle

TRD - Signal Generation & Processing 47

Status: partially installed; being commissioned ALICE TRD Transition Radiation Detector (TRD) electron ID in central barrel p>1 GeV/c fast trigger for high momentum particles (hadrons, electrons) 540 detectors ~ 760m2 18 super modules length: 7m X/X0 ~ 22 % 28 m3 Xe/CO2 (85/15) 1.2 million channels Status: partially installed; being commissioned 48

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 (K0, K+, K-, Λ, D) K and L decays beyond 10 GeV/c leptons (e,μ ), photons, π0 electrons TRD: p > 1 GeV/c, muons: p > 5 GeV/c, π0 in PHOS: 1 < p < 80 GeV/c excellent particle ID up to ~ 50 to 60 GeV/c

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….