1
7. Teilchenidentifikation 7. Teilchenidentifikation und und KalorimetrieKalorimetrie
7.1 Grundlagen der Kalorimetrie 7.2 Elektromagnetische Kalorimeter7.3 Hadronische Kalorimeter
Szintillator und Photodetektoren7.4 RICH Detektoren
Maria Maria Laach Laach Vorlesung 04Vorlesung 04
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 2
Grundprinzip KalorimeterGrundprinzip Kalorimeter• Aufgabe: Teilchenidentifizierung und Energiemessung• Energie wird deponiert und auf niederenergetische (Schauer)Teilchen übertragen• Elektromagnetische (ECAL) und starke WW (HCAL)
• Absorber + sensitives Medium
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Det
ekto
rmat
eria
l
Det
ekto
rmat
eria
l
Det
ekto
rmat
eria
l
Detektormaterial: Szintillatoren, Halbleiterdetek -toren, Drahtkammern, Flüssigargon, Kristalle
Absorber: „high Z-material“ Eisen, Blei, Uran
• Absorberschichten bestimmen Stärke und Art der Absorption (i.a. HCAL)
• Teil der Energie deponiert in sensitivem Material à Signal
2
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 3
KenngrößenKenngrößen
Kenngrößen:
Linearität der Energiemessung. Zur Messung des Proportionalitätsfaktors verwendet man Teilchen bekannter Energie (Kalibration).
Response für verschiedene Teilchentypen. Unterschiedliche Wechselwirkungen. Elektromagnetische und hadronische Schauer zeigen unterschiedliches Schauerprofil (lateral, longitudinal).
Energieauflösung. Limitiert durch Fluktuationen im Schauerprozeß und immeßbaren Signal.
Wichtig: I ~ dE/dx
Signal proportional zur deponierten Energie
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 4
EnergieauflösungEnergieauflösung• Schauerentwicklung ist ein statistischer Prozess à bessere Auflösung bei hohen
Energien
Eb
Ea
ENE σσ
⊕⊕≅E = Energie einlaufendes Teilchen s = Standardabweichung E-Messung
a = Stochastischer Term b = Konstanter Term (Offset) σN = Noise Term
Typische Werte:
a = 0.5 – 20 % b = 0.5 – 5 % Noise = 150 – 400 MeV
EEσ
3
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 5
Elektromagnetische SchauerElektromagnetische Schauer= Schauer ausgelößt durch die elektromagnetische WW von Elektronen und Photonen (und π0)
Elektronen/Positronenà BremsstrahlungPhotonen à Paarbildung
• Schauer relativ kurz und kompakt à ECAL meist der kleinere Teil des Kalorimeters aber mit guter Energieauflösung (i.a. homogenes Kalo)
• Elektromagnetische Schauer kollimiertà gute Richtungsmessung m öglich
Longitudinale Ausdehnung abhängig von E0 und X0
Tiefe des Kalorimeters um Schauer vollständig zu absorbieren
Radiale Ausdehnung abhängig von Viel-fachstreuung, Moliere Radius
Granularität
Charakteristisch: Strahlungslänge X0
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 6
Kalorimeter TypenKalorimeter Typen• Unterscheidung elektromagn. – hadronischer Schauer • EM-Schauer in kompaktem, hochauflösendem Kalo messen
Geringe Fluktuationen à Präzise Messung. Material mit mittelgroßem Z (Kristalle, Flüssigargon).
• Hadronische Schauer sollten erst im HCAL starten, immer hinter ECALKombination aus Absorber (Blei, Eisen) und sensitivem Material àunabhängige Optimierung von λ / X0 proportional Z
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Det
ekto
rmat
eria
l
Det
ekto
rmat
eria
l
Det
ekto
rmat
eria
l
Absorber-und Detektor-Material in einem
Homogen (ECAL) „Sampling“ (HCAL)
Kalorimeter Typen
4
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 7
SchauerprofilSchauerprofil• dE / dx = f (Schauertiefe)• Lage des Schauermaximums logarithmisch abhängig von Ursprungsenergie E0
und Z (Teilchenmultiplikation stoppt früher bei leichten Elementen)
• Radiale Ausdehnung RàMoliere Radius (Materialeigenschaft) ρM
ρM = (21 MeV / EC) X0 ~ 7 A / Z [g cm-2]
2 ρM = R
CEE
Xx
et 0
0max ln)( ≈=
„High Z“ „Low
Z“
00
197;1
1Vorlesungaus
XE
XdxdE
Paar
Brems
⋅≈∝− µ
1.25
1.36
6.51
8.25
-
ρM [cm]
1.7626Eisen
0.5682Blei
14.018Argon
42.4-Polystyrene
300007.3Luft
X0/ρ [cm] ZMaterial
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 8
= Schauer von Hadronen durch starke WW. Hadronen vollständig absorbiert.• Viele Sekundärteilchen Multiplizität ~ ln E• Starke Fluktuationen im Profil• Komplizierte Simulationen. Experimentell bestimmte Größen passen gut.
HadronischeHadronische SchauerSchauer
hadxEL λ/ln 0≈
hadR λ∝
7.0ln2.0)( 0max
max +⋅≈= Exhadthadλ
16.826Eisen
17.182Blei
83.718Argon
79.5-Polystyrene
λ had [cm] ZMaterial
5
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 9
EreignisbilderEreignisbilder
CDF
CDF
Lego plot zur Sicht-barmachung der Energie
7. Teilchenidentifikation 7. Teilchenidentifikation und und KalorimetrieKalorimetrie
7.1 Grundlagen der Kalorimetrie 7.2 Elektromagnetische Kalorimeter7.3 Hadronische Kalorimeter
Szintillator und Photodetektoren7.4 RICH Detektoren
Maria Maria Laach Laach Vorlesung 04Vorlesung 04
6
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 11
Physikalische HerausforderungPhysikalische Herausforderung
Erwartetes Signal von Hà γ γ für mH = 120 GeV, 10 fb-1
...erfordert• Gute 2-Photonen Massenauflösung
• Winkelauflösung• Unterdrückung von π0
• Hermetische Abdeckung in η
Eb
Ea
ENE σσ ⊕⊕≅
Schwaches Signal
CMS
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 12
Homogene ECALHomogene ECAL• ECAL sind oft homogene Kalorimeter
∆E/E (Homogen) ~ 1%, ∆E/E (Sampling) ~ 10%• Materialien:
Kristalle oder flüssige Edelgase
NA48Flüssigkrypton
H1, ATLASFlüssigargon
CMS, ALICEPbWO4
L3 KalorimeterBGO (Bi4Ge3O16)
BaBar, BELLECsI
Praktikum, KernphysikNaI
AnwendungsbeispieleKristalle/Material
OPALPb-Glass Kalorimeter
OPAL
7
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 13
Anorganische KristalleAnorganische Kristalle
Prinzip:
• Durchlaufendes Teilchen regt Exzitonen an, die durch Kristall wandern bis zum Einfang
• Abgabe der Energie durch Lumineszenz Photon (3eV àλ~400 nm)
• Material transparent
• Abklingzeit ~230 ns C.Niebuhr
Kristall Photondetektor
Szintillations -Licht wird mit Photondetektoren nach-gewiesen
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 14
Anspruchsvolle KristalleAnspruchsvolle Kristalle….….
Herausforderungen:Kristallgröße
1 cm
Monitoring der Transmission (Strahlenschäden)
•Vor dem Einbau
•Während des Betriebes durch LEDs
Temperatur konstant auf 0.1 K, Lichtausbeute stark T-abhängig
8
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 15
ParameterParameter BarrelBarrel EndcapsEndcapscoverage |η | <1.48 1.48<|η | <3.0∆η x ∆Φ 0.0175 x 0.0175 0.021x0.021 to 0.05x0.05depth in X0 25.8 23No. crystals 61200 15632Modularity 36 Supermodules 4 Dees
Aufbau eines KalorimetersAufbau eines Kalorimeters
75000 Kristalle
CMS
][2.0
005.0][
01.0GeVEGeVEE
E ⊕⊕≅σ
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 16
ALICE PbWOALICE PbWO44 ECALECAL
PbW04 KristallX0 < 0.9 cm
ALICE
ALICE KalorimeterNA48
9
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 17
AusleseAusleseAuslese des schwachen Signals mit B-unempfindlichen Detektoren
Energie Licht Strom
àLicht à Strom à Signal Mögliche Detektoren
•APD
•PMT
•Prox.focused HPD
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 18
BeispielBeispiel: ECAL : ECAL KalibrationKalibration
1. Testbeam: Very precise (∆E/E<0.1 %) for a small sample (~1/4) Extrapolation to CMS, target value of 2% precision
2. Lab measurements during productionIntercalibration precision ~4.5%
3. Fast calibration with min.biasevents use phi symmetry of deposited energy to intercalibrate crystals within rings of constant eta
4. Z à e+ e-for final precision
ECAL Barrel
Inte
rcal
ibra
tion
Pre
cisi
on w
ith M
B e
vts
1.5 Mio. events
# crystals = 97
Mean = 0.0148
RMS = 0.0457
Chi2/ndf=7.47/14
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2
4
2
0
No.
ent
ries
Difference in rel. light yield
CMS
10
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 19
Flüssige EdelgaseFlüssige Edelgase• Mögliche Edelgase: Krypton (NA48), Argon (ATLAS, H1, ICARUS), Xenon
• Als homogenes Kalorimeter, Nachteil lange Ladungssammelzeit. Anwendung in ICARUS (Neutrino Experiment).
• Sampling Kalorimeter, günstig ist Akkordeon Geometrie (RD3) mit Vorteilen:– Kurze Ladungssammelzeit erlaubt Einsatz bei hohen Raten– Geringe Kapazität der Ausleseelektroden– Vorverstärker wird direkt mit Elektroden verbunden– Keine toten Zonen– Verschiedene Segmentierung möglich
Auslese-elektronik
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 20
ATLAS FlüssigATLAS Flüssig--Argon ECAL Argon ECAL Mainz, MPI München
][4.0
01.0][
1.0GeVEGeVEE
E ⊕⊕≅σ
Auflösung ECAL
• EM |η|<3.2 Füssig-Argon in Akkordeon Geometrie
• 2 x 105 Kanäle • Preshower bis |η|<1.8
11
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 21
Beiträge zur EnergieauflösungBeiträge zur Energieauflösung
Im idealen, homogenen Schauerzähler:• Fluktuationen der Teilchenzahl im Schauer• Longitudinale E-verluste kritischer als Transversale
(Bsp. „Tailcatcher“)• Zu frühes Aufschauern • Statistische Schwankungen der Anzahl der
Photoelektronen
Zusätzliche Beiträge im Sampling Kalorimeter:
• Sampling Effekt• Effektive Weglänge im aktiven Material ändert sich
mit Winkel der Schauerachse• Wenn aktives Medium = Gas, zusätzlich
Fluktuationen der Ionisation im Gas
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Det
ekto
rmat
eria
l
Det
ekto
rmat
eria
l
Det
ekto
rmat
eria
l
LowE High
E
LowE High
E
7. Teilchenidentifikation 7. Teilchenidentifikation und und KalorimetrieKalorimetrie
7.1 Grundlagen der Kalorimetrie 7.2 Elektromagnetische Kalorimeter7.3 Hadronische Kalorimeter
Szintillator und Photodetektoren7.4 RICH Detektoren
Maria Maria Laach Laach Vorlesung 04Vorlesung 04
12
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 23
Erforderliche AuflösungErforderliche AuflösungHCAL Anforderungen:
Vollständige Absorption hochenergetischer Jets à KalorimetertiefeMessung Jetrichtung und Separation von Jets à Transversale Granularität
Messung mehrerer Jets à Vollständige Abdeckung
Hermetizität für Messung ETmiss (ν, SUSY)
%4%10 ⊕≅EE
EσWichtig: Nachweis von TeV Jets!
CMS
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 24
NachweisNachweis EETTmissmiss
D0
eeW ν→
ν
We
Hermetizität
Volle Abdeckung
13
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 25
HCAL = HCAL = SamplingSampling KalorimeternKalorimetern
cmhad
had
17~)Fe(
cm80~Scint)(
λ
λ
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Ab
sorp
tio
nsm
ater
ial
Det
ekto
rmat
eria
l
Det
ekto
rmat
eria
l
Det
ekto
rmat
eria
l
Nur deponierte Energie im Detektormaterial ausgelesen à Fluktuationen + Statistik der Schauerentwicklung K.Kleinknecht
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 26
Flüssigargon + Absorber Flüssigargon + Absorber Mainz, MPI München• ATLAS Endkappen und bei
größeren η ‚Sampling‘ Technology als Flüssig-Argon (4 mm) zwischen Kupferplatten
Endkappen-Detektor
•In stark-Vorwärtsrichtung Argon mit Bleistab-Matrix
14
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 27
SzintillatorSzintillator + Absorber+ AbsorberATLAS / CMS:ATLAS / CMS: Sampling Kalorimeter aus
Messing mit aktiven Szintillator-schichten mit PMT Auslese
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 28
Szintillator Szintillator + Fasern+ Fasern
Szintillator Photondetektor
außerhalb B-Feld& Strahlung
• Einfangeffizienz von Photonen in Fasern ~%
• Fasern wirken als Lichtleiter und als Wellenlängenschieber
• Abklinglänge in Fasern berücksichtigen
• Anpassung der Wellenlänge an Photokathode
WLS-Faser
Licht-leiter
dwu
15
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 29
Auslese mit PhotondetektorenAuslese mit PhotondetektorenATLAS H1
• Spektrale Abhängigkeit der Photocathode berücksichtigen
• Auslese mit „Wavelength-Shifting Fibres “ (WLS) (typisch 1mm) verschiebt λ=410-425nmà λ=490nm
Hamamatsu
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 30
VielkanalVielkanal--PhotomultiplierPhotomultiplier
• Segmentierung der Photocathode
• MikrochannelplateHamamatsu
16
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 31
HHybrid ybrid PPhotohoto--DDiode (HPD)iode (HPD)Prinzip: Kombination aus PM und Siliziumdetektor
Extrem gute Pulshöhen-auflösung erlaubt Nachweis einzelner Photonen
Rückstreuung von Si-Oberfläche
51056.3
20Gain ⋅≈=∆=eV
keVW
VeGSi
DEP
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 32
AAvalanchevalanche PPhotohoto--DDiode (APD) iode (APD) Prinzip: Halbleiterdetektor. Hohes elektrisches Feld führt zu Lawinenbildung
(Verstärkung)
C.Niebuhr
Hamamatsu
53 1010 −≅G
+ Sehr hohe Quantenffizienz 0.6-0.8 (Photocathode ~0.1)
- Starke Schwankungen in der Produktionsqualität
- Noch relativ kleine Dimensionen2 cm
17
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 33
SpinSpin--Off von Off von SzintillatorenSzintillatoren
Luminex
Luminex
7. Teilchenidentifikation 7. Teilchenidentifikation und und KalorimetrieKalorimetrie
7.1 Grundlagen der Kalorimetrie 7.2 Elektromagnetische Kalorimeter7.3 Hadronische Kalorimeter
Szintillator und Photodetektoren7.4 RICH Detektoren
Maria Maria Laach Laach Vorlesung 04Vorlesung 04
18
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 35
Cherenkov StrahlungCherenkov Strahlung
p = γβm0
m0 = rest mass mπ = 139 MeVmK = 494 MeV
mp = 938 MeVme = 0.5 MeV
γ = 1/sqrt (1-β2)
No. of detected photons:
•Index of refraction•Traversed material•Photon detection eff. (λ-dependence of PC, reflection from potential mirrors, scattering)
Hera-B
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 36
K/K/ππ TrennungTrennung imim LHCbLHCb RICHRICH
• Zwei RICH Detektoren
• Akzeptanzen:
– 300 mrad RICH 1
– 120 mrad RICH 2 • Radiator Material:
Aerogel C4F10 CF4
BBdd →→ ππ−− ππ++
LHCb
19
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 37
LHCLHC--b b –– Ein dediziertes BEin dediziertes B--ExperimentExperimentFixed Target Geometrie, 1-armiges Vorwärtsspektrometer40 MHz, reduzierte Luminosität L = 2 x 1032 cm -2 s -1
Bd, Bs, Bc Mesonen und b-Baryonenà kurzlebig
Ereignisselektion:Ereignisselektion:40 MHz à 1.1 MHz à 40 kHz
Level-0 Level-1
Lev-0 : e, µ , h mit hohem pT
Lev-1 :
• Sekundärvertex
• Mind.1 Spur mit großem pT aus TT-Station (geringes B-Feld, Si)
• K/π Trennung
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 38
SuperKamiokande CherenkovSuperKamiokande Cherenkov--DetektorDetektor
20
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 39
Signature Signature
νe
e
http://www.pc.uci .edu/~tomba/sk/tscan/solar
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 40
ZusammenfassungZusammenfassung
• Identifizierung und Energiemessung von Elektronen, Photonen, Hadronen und Neutrinos im ECAL + HCAL
• ECAL 1%, HCAL 10% Energieauflösung Longitudinale Schauerverluste (Heraus-lecken) möglichst vermeiden
• Homogene oder „Sampling“ Kalorimeter, Materialien: Kristalle, Szintillator, flüssige Edelgase
• Signale aus Szintillator & Kristallen wird ausgelesen mit Photon-detektoren, z.T. im Magnetfeld
21
Kerstin Hoepfner, RWTH Aachen Herbstschule Maria Laach 2003 Vorlesung 04 41
AusblickAusblick
?Higgs
SUSY
Detektoren erfüllen die physikalischen Anforderungen
Wenn Higgs und SUSY existieren, sollten sie am LHC gefunden werden!