Ties Behnke, DESY Hamburg 11-12-2001 " TESLA: Das Projekt " Warum TESLA " Der TESLA Detektor Die TPC für TESLA TESLA: Eine TPC voller Präzision.

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1 Ties Behnke, DESY Hamburg 11-12-2001 " TESLA: Das Projekt " Warum TESLA " Der TESLA Detektor Die TPC für TESLA TESLA: Eine TPC voller Präzision

2 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 2 Linear Collider Projects Weltweit gibt es drei Projekte: USA: NLC Japan JLC Europe TESLA 2000 2001 2002 2003 2004 TeslaTDR german science council approval? start construction? international definition 2010 Teilchen Physik: drei regionale Studiengruppen: USA american LC workshop Japan ACFA workshop Europe ECFA/DESY workshop

3 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA3Aachen, 11.12.2001 Das TESLA Project Superconducting cavity: gradient > 25 MV/m The TESLA site near Hamburg Max energy500-800 GeV ¸ = 5 Site length : 33km Integrated Luminosity: 500 /year Integrated facility for electron positron accelerator and Free Electron Laser TESLA: TDR submitted 3/01 1134 authors from 304 Institutes in 36 countries

4 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 4 TESLA in der Nähe von Hamburg

5 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA5Aachen, 11.12.2001 The TESLA TDR The TESLA TDR: published March 2001 see http://tesla.desy.de/tdr Presented to the public at the TESLA scientific colloquium, 23/24 March 2001 in DESY Hamburg

6 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 6 TESLA Layout TESLA collider layout: DESY Westerhorn TESLA tunnel: Durchmesser 5.20 m

7 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 7 Status of Cavities Development TESLA Test Facility (TTF) Goals: Phase I: development of acceleration modules proof of principle of operation of SC linac at high (> 22.5 GeV) gradient proof of principle for SASE FEL in the VUV (60 nm) cavity performance per production series Tesla 500

8 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 8 Single Cell Cavities Further improvement of gradient: electropolishing Gradients in excess of 40MV/m in single cell cavities "normal" welded cavities Hydroformed cavities: Overall development looks very encouraging Clear path to larger energies (800 GeV at least) Overall development looks very encouraging Clear path to larger energies (800 GeV at least) TESLA 500 TESLA 800 TESLA 500 Chemically polishedElectropolished

9 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 9 TESLA Parameter TESLA 500 GeV Parameter TESLA 800 GeV Parameter

10 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 10 Kernfragen der Teilchenphysik Was ist der Ursprung der Brechung der elektro-schwachen Symmetrie? Ursprung der Masse? Warum sind W und Z so massiv? Sind unsere heutigen "elementaren Teilchen" tatsächlich elementar? Gibt es eine Physik jenseits des Standard Modells? dunkle Materie dunkle Energy cosmologische Konstante @0 Gibt es eine gemeinsame Urkraft? Warum gibt es drei Familien? Peter P.Higgs: 9 Papers mit Higgs im Titel: 5286

11 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 11 Experimentieren bei TESLA Zeitstruktur der Kollisionen bei TESLA: ca 3000 bunches 337 ns Abstand lange "pulse trains" "lange Abstände zwischen Pulsen viel Zeit zwischen zwei "trains" SLD: 5000 nm FFTB: 50nm TESLA: 5nm Strahlquerschnitt am Wechselwirkungspunkt kleiner Strahlquerschnitt: hohe Luminosität hohe Strahl Strahl Wechselwirkung kleiner Strahlquerschnitt: hohe Luminosität hohe Strahl Strahl Wechselwirkung

12 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 12 Experimentieren bei TESLA II Die extreme Fokussierung der Strahlen erzeugt Untergrund: ca 130000 ee Paare pro BX ca 360 TeV pro BX sehr hohe Belastung mit Untergrund dicht am Strahl einiges davon kommt auch in das Spurkammersystem gezeigt: 1% einer Kollision!

13 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 13 Ein Detektor für TESLA Ansicht des für TESLA vorgeschlagenen Detektors tracking system coil calorimeter ECFA-DESY linear collider study

14 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 14 Das Kalorimeter Das Kalorimeter spielt eine zentrale Rolle in der Ereignis Rekonstruktion Es misst: Energie für neutrale und geladene Teilchen Ort der Energiedeposition Richtung der Energie Beispiel: Photonen Nachweis gauge mediated symmetry breaking: predict decay of long lived neutral particle into photon + X particle could be long lived Anforderungen: gute Energieauflösung sehr gute Granularität hermetisch innerhalb der Spule (wenig Material vor dem Kalorimeter) gute Separation von neutralen und geladenen Teilchen im Jet

15 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 15 Kalorimetrie Kalorimeter bei E>500 GeV spielt wichtige Rolle TESLA Konzept: Präzisions, "tracking" Kalorimeter W Absorber, SI Sensoren (1x1 cm pad) 2

16 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 16 Kalorimeter "Benchmarks" Separation von W und Z Rekonstruktion von Jetmassen 30% Eflow 60% Eflow Separation von W und Z ist sehr wichtig für viele Analysen: gute Separation essentiell 30% Eflow Auflösung gibt eine deutliche Verbesserung Messung der Higgs Selbstkopplung: HHZ Ereignisse (6 Jets Endzustand) Analyse ist mit 60% Eflow Auflösung nicht möglich!

17 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 17 Das Spurkammer System Prazisions Vertex Detektor SI strip Detektor ausserhalb des VTX Detektors (SIT) TPC als grosser Spurdetektor FCH in der vorwarts Richtung (FCH) Verteilung des Materials als Funktion des Polarwinkels im Zentraldetektor

18 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 18 Vertex Detektor Vertex Detektor: Verschiedene Optionen werden untersucht: Anforderungen sehr gute Präzision strahlungshart schnell große Granularität Warum: B-Physik: sekundäre Vertizes Konstruktions Detail: extrem dünne Leitern (50 um) Leitern haben keine Unterstützung werden unter Spannung gehalten 1.5 cm beampipe

19 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 19 Anforderungen an den VTX Detektor Ziel: hervorragende b und c Nachweise sehr gute Stossparameter Auflösung sehr gute Messung der Kopplungen der verschiedenen Flavours an das Higgs deutlich besser als bisherige Detektoren kann verschiedene Flavour unterscheiden: Tests der Kopplungen des Higgs an Flavour Tests des Higgs Mechanissmuses im Detail

20 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 20 Vertex Detektor Isometrische Ansicht der CCD Option inner radius: 15mm

21 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 21 Der SIT zwei Lagen doppelseitiger SI Streifendetektor (10 um Auflösung) Anwendung: Verbesserung der Impulsauflösung Verbesserung der Spurrekonstruktionseffizienz Verbesserung der Rekonstruktionseffizienz für langlebige Teilchen Effizienz ein K0 zu finden als Funktion des Abstandes des Zerfallsvertex vom IP Effizienz der Verbindung einer Spur zwischen VTX und TPC, als Funktion des SIT Radius

22 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 22 TPC tracking System TPC: Time Projection Chamber large gasfilled system little material true 3-D reconstruction possible large granularity a simulated dd event material budget : Radius 180 cm

23 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 23 Anwendung der Spurkammer Modellunabhängige Messung der Higgs Masse: ZH Ereignisse Z}ll wird rekonstruiert angestrebte Auflösung Faktor 5 schlechtere Auflösung Rekonstruktion der "recoil" Masse verlangt höchste Genauigkeit in der Spurrekonstruktion angestrebte Impulsauflösung: â Kriterium: Breite dominiert von intrinsischer Z Breite, nicht von Detektor Auflösung

24 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 24 smuon observed mass spectrum Supersymmetry Schlüssel zur Supersymmetry: Entdeckung Spectroskopie in fast allen Modellen: erwarte zumindest einige Zustände bei erreichbaren Energien ("no loose theorem", nearly model-independent) Wichtig: Schwellenscans. Braucht sehr gute Genauigkeit, um Spektrum genau zu vermessen Wichtig: Schwellenscans. Braucht sehr gute Genauigkeit, um Spektrum genau zu vermessen spektakuläre Signale am LC, wenn SUSY existiert

25 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 25 Die TPC bei TESLA gas gefullte TPC als zentrale Spurkammer Hauptmaße: 5m lang 30cm R(in) 170cm (Rout) Vorteile einer TPC: wenig Material 3D Punkte viele Punkte "einfach" (Auslese etc an der Endplatte) Vorteile einer TPC: wenig Material 3D Punkte viele Punkte "einfach" (Auslese etc an der Endplatte)

26 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 26 Das TDR TPC Konzept I Konzept entwickelt fuer den TDR: Anlehnung an existierende Designs (Aleph, Delphi, Star) Neue Auslesetechnologie fuer die Endplatten vorgesehen Verschiedene Gasmischungen: 100kV an der Kathode!

27 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 27 Das TDR TPC Konzept II Einige erste Ideen über die Realisierung einer TPC mit GEMs Ein GEM Tower Endplatte

28 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 28 R&D für die TESLA TPC Grundlegende R&D Fragen fur eine TESLA TPC: Auslese System? Ionen Feedback? Elektronik? Materialbudget Simulation Kalibration... DESY: Program zur Unterstutzung von LC Detektorentwicklungen: Formale Proposals werden vom DESY PRC begutachtet R&D wird "DESY" Programm, wenn akzeptiert einige (sehr begrenzte) Mittel sind verfügbar Ziel: Regionen-übergreifendes Entwicklungsprogram fur LC Detektoren

29 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 29 Das TPC Auslesekonzept konventionelle Lösung: Proportionaldrahtkammern Auslese der induzierten Signale mit Pads Alternative: Micro-Gas Systeme: GEM, MicroMegas Granularität 2D und Auflösung angepasst Beispiel GEM Auslese:

30 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 30 The TPC with GEM Readout The basic idea of GEM based TPC potential advantages: true 2D readout better resolution thinner ion feedback suppression?

31 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 31 Die GEM Auslese einer TPC Problem: direkter Nachweis der Elektronen auf dem Pad kein (kaum) induziertes Signal potentiell schlechtere Auflösung (oder sehr hohe Zahl von Kanälen) induzierte Signale werden erwartet und können auch gesehen werden:

32 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 32 Chevron Pads Ein möglicher Ansatz: "Chevron" Pads Verteilen der Ladung auf mehrere Pads Bessere Auflösungen sind möglich mit endlich vielen Pads Ergebnisse der Simulation:

33 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 33 Andere Ansätze Nachweis induzierter Pulse (Carlton, Canada) kleine induzierte Pulse werden nachgewiesen Widerstandslage zur Verteilung der Ladung: Probleme: Material der Zwischenlage? Stabilität Doppelhitauflösung Signalhöhe

34 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 34 Die Test TPC in Hamburg TPC: ca 1m drift ausgestattet mit GEM Endplatte aufgebaut im Teststand für kosmische Strahlen Auslesesystem: ALEPH Elektronik (preamp und ADC) Auslese und Visualisierung mit LABVIEW Programm

35 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 35 Die Endplatte Aufbau: doppel GEM System 2x6 mm PAD's Modularer Aufbau "einfacher" Austausch von GEMS und PADS möglich kein Magnetfeld (im Moment)

36 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 36 Ergebnisse Signal zu Untergrund: Verstärkungsfaktor zeitliche Stabilität Langzeitoperation der Test TPC im Cosmic-Stand Stabilität als Funktion der Position auf den Pads sehr gutes Signal zu Untergrund (>40) Pedestals Signale keine Korrekturen für Druck oder Temperatur!

37 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 37 Gasverstärkung... als Funktion der Gem Spannung: transfer, induction Feld Drift Spannung Verstärkung erreicht ca. 1500 Verhalten im Wesentlichen wie erwartet relativ niedrige Drift Spannungen Gas: Ar(93)-CO2(4)-CH4(3)

38 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 38 Spurrekonstruktion Spurrekonstruktion und Spurfit implemented voller Cluster finding Algorithmus

39 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 39 Punktauflösungen: Residuen relativ zur angepassten Spur: Residuen als Funktion der Driftlänge Vorsicht: alle Messungen ohne externes magnetisches Feld!

40 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 40 Auflösungen gegen Spurwinkel Definition der Spurwinkel Auflösung als Funktion der Spurwinkel: Vorsicht: alle Messungen ohne externes magnetisches Feld!

41 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 41 Vergleich Daten Monte Carlo Monte Carlo: "schnelles" Monte Carlo der Signal Formierung in der Gem Auslese drift Diffusion in Drift und in Transfer Auflösungseffekte Punkte: Daten; Histogramme: Monte Carlo Residuen: Signalverteilungen

42 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 42 Die Mini TPC Ziel: gezielte Messungen von zentralen Parametern an einer TPC unter sehr gut kontrollierten und definierten Randbedingungen: Ionen Rückfluss Verstärkung Aufladungseffekts... klein: 15x15 cm Grundfläche keine Kanteneffekte Bestrahlung mit Quelle

43 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 43 Erste Ergebnisse Fe-55 Signal: Test Messungen: Verstärkung Energieauflösung des Photo-peaks ca 12%

44 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 44 Messung des Ionen Rückflusses Einzelstrommessungen Erste Ergebnisse der Ionenrückfluss Messung: Gesamtstrom= Null!

45 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 45 Magnetische Felder? Erste Stufe: warmer Magnet, 1T Feld zweite Stufe: Kalter Magnet, bis zu 5T Feld, ehemaliger Kompensator bei H1 wird im Moment am DESY wieder in Betrieb genommen neues Kontrollsystem neuer Anschluss an Kältesystem neuer Laborplatz nötig Betrieb mit dem Hochfeld Magneten wird nur im Labor möglich sein, nicht im Teststrahl! Inbetriebnahme frühestens in einem halben Jahr

46 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 46 Ausblick Ausrüsten der großen TPC mit neuen Pads: Chevron Pads mit/ ohne Magnetfeld Betrieb der Kammer im DESY Teststrahl bis zu 6 GEV Elektronen, geringe Rate durch tertiary target auch Mehrspurereignisse möglich Kammer wird hinter SI Teleskop aufgebaut TPC 3 doppelte Lagen SI Detektoren Strahl erwartete Auflösung an der TPC: <50 Üm, MS dominiert B=1T

47 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 47 Ausblick II Mini TPC: Fortführung der Messungen des Ionen Rückflusses: Genauere Strommessungen Systematisches Abtasten des Phasenraumes Versuch weitere Minimierung Untersuchen von GEMs als Austaktebene Test TPC Nummer 2: Anfertigung für den Hochfeld Magneten ( bis 5T) ca 0.7m Drift Länge ca 30cm Durchmesser Ausgerüstet mit GEM Endplatte und Hochfeld Pads Betrieben mit Cosmics im Magneten Laser? Ziel: Betrieb zweite Hälfte 2002

48 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA48Aachen, 11.12.2001 Wie geht es weiter? Von Seiten der Physiker: eine weitgehende weltweite Einigung konnte erzielt werden: ECFA statement Snowmas statement ACFA statement HEPAP statement Ein e+e- Linearbeschleuniger mit einer Anfangsenergie von 500 GeV, ausbaufähig bis ca 1 TeV, soll so realisiert werden, daß er gleichzeitig mit LHC Daten nimmt. Beide Maschinen zusammen sind notwendig, um Physik auf der elektroschwachen Skala zu verstehen Von Seiten der Politik: In Deutschland: Begutachtung durch den Wissenschaftsrat (Ergebnis Sommer, Frühherbst 2002) Danach im Prinzip entscheidungsreif durch die deutsche Regierung. Intensive Konsulationen mit anderen Ländern über Beteiligung, Form der Beteiligung etc notwendig Das TESLA Konzept: Internationales Projekt begrenzter Dauer (kein zweites CERN) Ausländische Partner sind integraler Teil in Design, Bau und Betrieb: Global Accelerator Network Technologie: Loew Panel review erwartet Mitte/ Ende 2002

49 Ties Behnke: Die TPC bei TESLA Aachen, 11.12.2001 49 Zusammenfassung TESLA ist das nächste, große Projekt der Teilchenphysik auf der Welt (nach LHC) Der Detektor bei TESLA stellt neue und interessante Herausforderungen Calorimeterie wird eine ganz neue Qualität erreichen Vertex Detektoren: deutliche Verbesserung verglichen mit SLD, vor allem in Auslesegeschwindigkeit TPC: starke internationale R&D Kollaboration hat sich formiert Entwicklungsarbeiten im Moment konzentrieren sich auf die Auslesemethode Große Entwicklungen sind notwendig bei der Ausleseelektronik Beteiligte Institute in Deutschland: Aachen Hamburg Karlsruhe München Rostock im Ausland: Frankreich USA Kanada