LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010 Kalorimeter Antonia Strübig 18.01.2010

LHC-Seminar Kalorimeter

18.01.2010

Kalorimeter

Antonia Strübig

18.01.2010


18.01.2010

Übersicht

Einleitung

Wechselwirkung mit Materie

Kalorimeter

ATLAS

CMS

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18.01.2010

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!

Einleitung 2


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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

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Bethe-Bloch-Formel:

Wechselwirkung mit Materie

Geladene Teilchen• Ionisation → Herausschlagen eines Elektrons aus dem Atomverband

• Anregung → Anheben eines Elektrons auf ein höheres Energieniveau

2

2ln

1

A

ZN4 2

222

2222

AIon

I

cmzcmr

dx

dE eee

z = Ladung einfallendes TeilchenZ, A = Kernladungs- , Massenzahl Absorberme = Elektronenzahlre = ElektronenradiusI = Ionisationskonstante Absorber

β,γ = Geschwindigkeit und Lorentzfaktor einfallendes Teilchenδ = Parameter „Dichteeffekt“

Wechselwirkung mit Materie 3


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18.01.2010

Bremsstrahlung

• Wechselwirkung mit dem Coulombfeld der Kerne Verringerung der kin. Energie des Teilchens → Abstrahlung von Photonen

• Bedeutung für leichte, schnelle Teilchen

EmA

Zz

dx

dE

0

22

Brems

1

0Brems X

E

dx

dE

stark für Elektronen

X0 = Strahlungslänge

Charakteristisch für Absorber

ZrZN

AX

eA183ln4 220



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kritische Energie Ec : Energie bei der Ionisations- und Bremsstrahlungsverlust für Elektronen gleich sind

0BremsIon X

EE

dx

dEE

dx

dE ccc

Coulomb-Streuung

• Streuung am Coulomb-Potential der Kerne und Elektronen → Abweichung von geradliniger Ausbreitung

0

2 6,13

X

x

pc

x = durchquerte Materiedicke in Einheiten von X0

p, β = Impuls und Geschwindigkeit des Teilchens



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Energieverlust für Elektronen



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Photonen

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

um detektiert zu werden muss das Photon geladene Teilchen erzeugenoder Energie auf sie übertragen

xII e0 i

iA

A

N

27

5Photo

E

Z

E

EZ

lnCompton

EZ ln2Paar

Abschwächung mit



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Energieverlust für Photonen



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Hadronen

Neben el.magn. auch starke Wechselwirkungelastischeund inelastische Prozesse → Erzeugung weiterer Teilchen der starken WW

Inelastische Prozesse:

hinelastiscelastischtotal

axNN e0

inelast

Aa N

Aλa = mittlere Absorptionslänge >> X0

λw → σtotal = Kernwechselwirkungslänge

10


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Kalorimeter

ttN 2

t

EtE

20

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

2ln

lnln 0max

cEEt

Kalorimetergrösse nimmt nur logarithmisch mit E0 zu!

Kalorimeter 11


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longitudinale und transversale Schauerentwicklung

L(98%) = 2,5 tmax

Molière-Radius

20 /

21cmgX

E

MeVR

cM

R(95%) = 2 RM

Kalorimeter 12


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Gesamtlänge Schauer

Energieauflösung

00 XE

ET

c

cE

b

E

a

EE

stochastisch „noise“• elektronisches Rauschen• Radioaktivität•„pile up“

konstant• Kalibrierungsfehler• Inhomogenität• Nichtlinearität

Qualität des Detektors

Kalorimeter 13


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hadronische Schauer

• bei Kernwechselwirkung übertragene pT → grössere transversale Ausdehnung• λa > X0 → „ longitudinale „

grössere Kalorimeter

Verschiedenste Prozesse tragen zur Bildung eines Hadron-Schauers beiSchauer enthält 2 Komponenten

elektromagnetisch+hadronisch

• 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

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18.01.2010

Kompensation

Hadronen generieren el.magn. und hadronische Schauer bei gleicher Energie Hadron-Signal kleiner als Elektron-Signal

Effizienzrate beide Anteile zu detektieren: h

e normalerweise e/h >1

Kompensation bedeutet beim Detektordesign eine Rate von e/h=1 zu erzielen.

Hadron-Signal wird nicht-linear:

Kalorimeter 15


18.01.2010

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

U/LAr

Fe/Scint

Cu, U/Scint

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18.01.2010

Homogene Kalorimeter

nur für el.magn. Kalorimeter, da die Absorptionslänge der möglichenMaterialien zu klein → Kostenfaktor

Das Absorbermaterial ist gleichzeitig der Detektor.

Vorteile: Nachteile:

gute Energieauflösung begrenzte örtliche Auflösung

hauptsächlich verwendet: Szintillatoren

Beispiele:

• PWO Kalorimeter bei CMS und ALICE

• CsI bei BaBar

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18.01.2010

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

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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

Kalorimeter 19


18.01.2010

Sampling Fluktuationen

entscheidender Faktor für Energieauflösung

Energiemessung jeweils nur mit Abstand d

Auflösung wird mit besser0E

d

Landau-Fluktuationen

zusätzliche „knock-off“-Elektronen durch Ionisation

Leckverluste

Ausmasse Kalorimeter ungenügend → Teilchen verlassen Kal. undetektiert

Rauschen

Kalorimeter 20


18.01.2010

Teilchenidentifikation

Trennung e- und Hadronen

• Energieschwerpunkt

• Schauerbreite

e- und Myon

• Energiedeposition

π0 und Photon

• Unterscheidung ein oder zwei Schauer

0

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Kalorimetergrössen

Pseudorapidität

2tanln

Körnung„Granularity“

:

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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

ATLAS 23


18.01.2010

ECal

HCal

ECal: |η| < 1,4 HEC: |η| = 1,4 – 4,8

HCal: |η| < 1,6 EMEC: |η| < 3,2

ATLAS 24


18.01.2010

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

ATLAS 25


18.01.2010

• Elektroden aus Blei und Stahl Auslese über aufgeätzte Streifen

• LAr muss von hoher Reinheit sein mögliche Verunreinigung → Sauerstoff und Stickstoff

• Kühlung durch LN2 Wärmetauscher

ATLAS 26


18.01.2010

Monitoring

Energieauflösung

• Einspeisung el. Puls direkt auf Elektrode

• Reinheits- und Temperatur- Monitoringsysteme

Kalibrierung

• über Z0 → e+e-

• Testbeam

• ECal : a = 8 – 11% b = 400 MeV c = 0,7%

• HEC : a = 60% c = 2%

cE

b

E

a

EE

ATLAS 27


18.01.2010

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

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18.01.2010

CMS – Cern Muon Solenoid

L = 21m

R = 15m

12500 t schwer

4 Tesla Magnetfeld

el.magn. Kalorimeter PbWO4-Kristalle

hadronisches Kalorimeter Kupfer + Plastikszintillator

CMS 29


18.01.2010

Elektronenkalorimeter

• 22 x 22 mm2 PbWO4 Kristalle

• Auslese mit Avalanche-Dioden → Verstärkung

für Endkappen Verwendung von Vakuum-Phototrioden

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

• Körnung = 0,0175 x 0,0175

• Temperaturschwankung < 0,5°C

CMS 30


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CMS 31


18.01.2010

Kalibrierung und MonitoringExistentiell für Kalorimeter!

hohe Strahlenbelastung → verringerte Lichtausbeute

ständige Überwachung mittels Lasersystem Injektion von Lichtpulsen zur Überprüfung der gesamten Signalkette

• 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%

CMS 32


18.01.2010

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

cE

b

E

a

EE

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18.01.2010

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%


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