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

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Das Beam-Kalorimeter für denInternational Linear Collider

Ch.Grah

DPG-Frühjahrstagung 2006, Dortmund

Inhalt:•Der International Linear Collider

•Der Vorwärtsbereich des LDC•Anforderungen

•Das Strahlkalorimeter – BeamCal•Beamstrahlung•Schnelle Luminositätsmessung•Strahlparameter Rekonstruktion

•Zusammenfassung

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 2

Der International Linear Collider

nicht maßstabsgerecht

~30 km

e+ Undulator @ 150 GeV (~1.2km)x2R = 955m

E = 5 GeV

RTML ~1.6km

ML ~10km (G = 31.5MV/m)20mrad

2mradBDS 5km

(500 GeV)

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 3

ILC Zeitplanung

2005 2006 2007 2008 2009 2010

Global Design Effort Projekt

Baseline configuration

Reference Design

ILC R&D Program

Technical Design

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 4

Der Vorwärtsbereich des LDC LDC: Large Detector Concept

Nachfolger des TESLA Detektors. Eines von insgesamt 4 Detektorkonzepten

2mrad

20mrad

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 5

Vorwärtsbereich - Aufgabenneue 20mrad Geometrie (LDC)

LumiCal (26 (43) mrad < θ < 153 mrad)Nachweis von em ww Teilchen mit niedrigem pTMessung von Bhahba‘s mit hoher Präzision =>Messung der Luminosität mit

BeamCal (5.6 mrad < θ < 28 (46) mrad)Nachweis von em ww Teilchen mit niedrigem pTMessung und Analyse der Energiedepositionvon 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.

410LL

20mrad => Rückstreuung durch Paare, die das LumiCal treffen, alte Geometrie (K.Büsser)

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 6

Beamstrahlung

BeamCal: 4 < θ < 28 mrad

15000 e+e- pro BX => 10 – 20 TeV ~ 10 MGy pro Jahr “schnelle” Auslese => O(μs)

30 X0 Sandwich KalorimeterAbsorber: WolframSensoren: CVD Diamanten (T 604.3)ca. 15000 Kanäle

e+e- Paare aus Beamstrahlung treffen das BeamCal.

e+ e-

Deponierte Energie von Paaren bei z = +365 (kein B-Feld)

„Pinch-Effekt“

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 7

Magnetfeld Konfigurationen

20mrad DID

20mrad AntiDID

Anpassung der Magnetfeldkonfigurationbei großen Kreuzungswinkeln.

•Detector Integrated Dipole: Parallel zum einlaufenden Strahl•AntiDID: Parallel zum auslaufenden Strahl

20mrad DID

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 8

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

0 100 200 300 400 500 6000

1

2

3x 10

34

Bunch #

Lu

min

os

ity

/ c

m-2

s-1

Luminositätsentwicklung während der ersten 600 Packete eines Packetzuges.Ltotal = L(1-600) + L(550600)*(2820-600)/50

G.White QMUL/SLAC

Position und Winkel Scan

Erhöhung von L von mehr als 12% (500GeV)!

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 9

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

Detektor: realistische Segmentierung, ideale Auflösung, Packet-Packet Auflösung

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)

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 10

Analyse Konzept

Observablen

Observablen

Δ S

trahlpar

Taylor

Matrix

nom

= + *

Strahlparameter

• bestimme Kollision

• erzeuge

beamstrahlung• erzeuge e+e- Paare

guinea-pigguinea-pig

(D.Schulte)(D.Schulte)

Observablen

• charakterisiere

Energiedeposition im

Detektor

FORTRANFORTRAN

Analyseprogramm Analyseprogramm

(A.Stahl)(A.Stahl)

und/oderund/oder

GEANT4GEANT4

Taylor-Erw. 1. Taylor-Erw. 1. Ord.Ord.

Lösbar durch Lösbar durch MatrixinversionMatrixinversion(Moore-Penrose (Moore-Penrose Inversion)Inversion)

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 11

Koeffizienten der Taylor-Matrix

Strahlparameter i [au]

Obse

rvable

j [

au]

Parametrisierung(polynomial)

1 Pkt =1 bunchcrossing

guinea-pigSteigung beim nom. Wert Taylor Koeffizient i,j

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 12

Analyse für nominale ILC Parameter

ParameterNominaler Wert

Präzision

2mrad 20mrad20mrad (2par)

x 655 nm 3.1 2.9 2.8x 5.2 7.4 7.6y 5.7 nm 0.3 0.2 0.2y 0.3 0.4 0.4z 300 m 4.8 8.5 11.1z 3.7 6.3 7.4

εy40x10-

9mrad1.7 2.9 5.2

εy 0 4.2 4.1 4.7x 17.7 9.3 10y 0 0.5 0.6 0.6N 2x1010 0.01 0.01 0.01N 0 0.01 0.02 0.03

...

ILCNOM, 20mrad DID

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 13

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

Schauervisualisierung

Energie/Lage

(A.Sapronov)

20mrad DID 20mrad AntiDID

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DPG 2006, Dortmund Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC 14

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.