Nachweis konvertierter Photonen γ e e in Silizium

Nachweis konvertierter Photonen
γ  e+ ein Silizium-Spurdetektoren
J. Olzem
Bad Honnef 2004
Silizium-Streifen-Detektoren
Rahmen aus
Graphit/Kohlefaser
Beispiel:
CMS Endkappen- Modul R6
Hochspannung 300- 500V
Geladenes Teilchen erzeugt e- - Loch- Paare
Ladungsträger driften im elektrischen Feld
Signalerzeugung auf den Streifen durch Influenz
Si-Sensor
Si-Sensor
Elektronik
("Hybrid")
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
CMS-Silizium-Spurdetektor

Schnitt durch den
CMS-Tracker
(¼ - Darstellung)
Beam pipe
Silizium- Sensoren brauchen viel
Infrastruktur: für Kühlung, mechanischen
Support, Signalwege, usw...
Ca. 1 Strahlungslänge
im Spurdetektor!
(Entspricht ca. 9 cm Al)
Materialbudget
(Strahlungslängen)
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Higgs  in CMS
„Goldener Kanal“ für MH ≈ 114 – 135 GeV:
 Cluster im ECAL ohne zugeordnete Spur im Tracker sind gute Signatur
Wahrscheinlichkeit für eine
 Konversion ist ca. 7/9 X0
H  
In ca. 70% aller H  events
konvertiert mindestens 1 Photon.
Komplizierte Rekonstruktion
Eigene Spurfindungsalgorithmen
nötig für hohe Effizienz. CMSSpurdetektor hat 223 m² aktive
Fläche  viele Hits und Spuren.
ECAL
barrel
Kleiner aber hochwertiger
Si- Spurdetektor zum Entwickeln
der grundlegenden Algorithmen:
Bad Honnef 2004
AMS-01
Jan Olzem
Der AMS-01 Detektor (1998)
Teilchendetektor im Weltraum als
Prototyp für das AMS-02 Experiment
Permanentmagnet
Zylindrischer Dipol, 0.14 T
4 Szintillatorlagen (TOF)
- und Flugrichtungmessung, Z- Messung, Trigger
6 Lagen Silizium-Streifendetektoren
Doppelseitig, Tracking, dE/dx- Messung
2 Lagen Aerogel-Cerenkov-Zähler
- Messung, e/P- Separation bis 3.5 GeV
Anticounter- Szintillatoren
Unterdrückung von Vielteilchenevents
Low Energy Particle Shield
Abschirmung von Teilchen < 10 MeV
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Der AMS-01 Si-Spurdetektor
6 Lagen Silizium- Streifendetektoren
1m Höhe, 0.3 m² sr Akzeptanz
Doppelseitig gekreuzt (3D- Information)
Streifenabstand 110m / 208m (in y/x)
Ortsauflösung 20m / 33m (in y/x) wie CMS
analoger Readout wie CMS
Relative Impulsauflösung
10% (10 GeV) bis 30% (40 GeV)
CMS: 0.5- 2% (1- 30 GeV)
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
STS-91 Shuttle Mission
2.-12. 6. 1998
AMS- 01
Space shuttle Discovery
2.- 12. 6. 1998
Tracker hits
mit Amplitude
Dauer 10 Tage
Flughöhe 320- 390 km
 außeratmosphärisch
Event
Display
184 h Datennahme
ca. 108 events, 87% Protonen,
11% , 2% e- , < 1% Antiteilchen + Kerne
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Identifikation hochenergetischer e+
Konvertierte Bremsstrahlungs - 
Problem: 1 e+
1000 P
Keine Positron/Proton- Trennung oberhalb
3 GeV möglich mit Einzelspuren
Konvertierte
Bremsstrahlungsphotonen
Primäres e strahlt Bremsstrahlungs-  ab,
welches wiederum im Material zu einem
e+ e- - Paar mit asymmetrischem Impuls
konvertiert.
brems~ 1 / m2
stark unterdrückt
für Protonen
Signatur
3- Spur- events
Rechte u. linke Spur sind Sekundärpaar
Vertices liegen im Material
Nicht mit Standardsoftware
zu rekonstruieren!
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Dominanter Untergrund
+ zusätzliche
undetektierte Teilchen
+ zusätzliche
undetektierte Teilchen
Erzeugung geladener Pionen
p+p
+
-
p+p+ + (+X)
Zerfall neutraler Pionen
p+p
+ e- mit falsch rekonstruiertem Impuls
Bad Honnef 2004
p+p+0 (+X)
 e+ eJan Olzem
Spurfindung
Definiere 3 Spuren in der bending plane-Projektion:
Clustering in der bending planeProjektion
Finde mindestens 3 Lagen mit
genau 3 clustern  3 track seeds.
Primärteilchen ist mittlere Spur.
Seed cluster müssen „dreieckige“
Topologie besitzen, da die Spuren
z
bending
plane
y
im B-Feld auseinanderlaufen.
Übrige cluster werden an die
Spuren gefittet, finde die
Kombination mit niedrigstem 2
Lage für Lage
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Jan Olzem
Ca. 13% relative
Auflösung in der
Summer dreier Spuren
Zusätzliche Bremsstrahlungsphotonen
Impulsauflösung: 3-Spur-event
Tatsächlicher Impuls zu rekonstr. Impuls
Zusätzlich abgestrahlte
Bremsstrahlungs- γ beeinträchtigen
die Impulsauflösung  Generelles
Problem bei hoher Materialbelegung.
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Rekonstruktion der Konversion I
Vertexfindung durch parallele
Rückverfolgung der linken und
rechten Spur im B-Feld mit


GEANT-Routinen (100m Schrittweite)


Interpolation am Ort
größter Annäherung in der
bending plane
Rekonstruktion des
Öffnungswinkels α in 3D
und des Photons
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Rekonstruktion der Konversion II
Ortsauflösung des Vertex
ist bescheiden aufgrund
V
kleiner Öffnungswinkel bei
großem Hebelarm
Z
Y
X
Fehler ist ca. 10 cm in z (Zylinderachse),
4 cm in x,y (Si-Ebene)
Systematischer Fehler in z ca. 3 cm
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Rekonstruktion der Konversion III
Relativer Impuls des rekonstruierten
Photons: pMC / pREC
Photonen werden sehr gut
rekonstruiert:
Impulsauflösung ≃ 8 %
(vergleiche Einzelspur: 10-30%)
Richtungsfehler ≃ 0.5°
(wie Einzelspur)
Emission zusätzlicher
Bremsstrahlungsphotonen
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Invariante Masse des Konversionspaars
minv ≃ 7 MeV
DATA
Positronen + Untergrund
Signalverteilung
(Positronen, Elektronen)
hat eine Breite von
minv ≃ 10 MeV
DATA
Nur Elektronen
Protonischer Untergrund
dehnt sich aus bis
minv ≃ 1.2 GeV
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Winkel der Bremsstrahlung
brems ≃ 12.2 mrad
Bremsstrahlung
Konversion
DATA
Positronen
+ Untergrund
brems~1/γ ≈ 0
Signalverteilung hat eine
Breite von brems ≃ 5 mrad
DATA
Richtungsinformation
des Photons kann zur
Nur Elektronen
Untergrunddiskriminierung
verwendet werden.
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Qualitätsschnitte I
Zurückweisung von events mit falscher Ladung
Gesamtladung muß ±1 sein
Linke und rechte Spur sind Konversionspaar und müssen
richtiges (und entgegengesetztes) Ladungsvorzeichen haben.
Rückextrapolation aller Teilchenbahnen im
geomagnetischen Feld
Teilchen atmosphärischen
(nicht kosmischen) Ursprungs
werden zurückgewiesen
sekundäres e+
3.8 GeV
Zurückweisung von
events mit Spuren
p < 100 MeV
Spurfits können fehlerhaft sein
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Qualitätsschnitte II
downward
Flugzeit
rejected
obere – untere Szintillatoren
E = 7.6 MeV
E = 7.6 MeV
„truncated mean“
der Szintillatoramplituden entfernt
α-Teilchen und Kerne
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Typisches Konversionsevent
in der Standard-AMS-Rekonstruktion
Unerkannte
3. Spur
Szintillatoren {
Spurdetektor
Szintillatoren {
Čerenkov
Standard-Rekonstruktion hat
geringe Effizienz (unzusammenhängende /
kurze Spuren werden meist nicht gefunden)
Bad Honnef 2004
Spuren aus
Standardrekonstruktion
Jan Olzem
Positronenspektrum
Bisher 19 e+
zwischen
2-50 GeV
≃ Hälfte der
finalen Statistik
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
Zusammenfassung
γ-Konversionen in Si-Spurdetektoren
sind häufig aufgrund hoher Materialbelegung  wichtiger Aspekt bei
der Analyse von Prozessen mit γ im Endzustand (Higgs  in CMS)
● können gut rekonstruiert werden (insbesondere p )
γ
●
Rekonstruktion von Konversionen wird durch angepaßte
Spurfindung wesentlich effizienter im Vergleich zu StandardMethoden (Seeding/Kombinatorisch)
In naher Zukunft
Übertragung des Prinzips auf den CMS-Spurdetektor
Integration der Algorithmen in die AMS-02 Software und
Anwendung in der Astroteilchenphysik
S. anschließenden Vortrag von H. Gast
Bad Honnef 2004
Jan Olzem
ANHANG
Gamma-Konversionen
Material
Impulsasymmetrie
des Konversionspaars
e+
γ
Z
e-
Bad Honnef 2004
Jan Olzem