10.1 Das ALEPH-Experiment am LEP

10.1
Das ALEPH-Experiment am LEP-Speicherring
- ein Beispiel eines Detektors an einem e+e- Beschleunigere+e- Beschleuniger am CERN
Betrieb: 1989 – 2000
Phase I: 1989 – 1995
√s ~ MZ
Phase II: 1996 – 2000
√s → 208 GeV
Vier Experimente:
ALEPH, DELPHI, L3 und OPAL
Die Betriebsparameter des Beschleunigers:
Zeit zwischen zwei Strahlkreuzungen: ~ 1 µs
→ „viel Zeit“ um die Wechselwirkungen zu verarbeiten
Anzahl der WW / Strahlkreuzung: ~ 0.01
→ kein „pile-up“ Problem (kein überlagerten Ereignisse)
Physik an e+e- Beschleunigern
e+e- Beschleuniger sind hervorragend für Präzisionsmessungen geeignet:
- e+ e- sind punktförmig, keine Substruktur
- vollständige Vernichtung im Schwerpunktsystem, Kinematik festgelegt,
→ saubere Ereignisse, Randbedingungen für Energie/Impulserhaltung
Physikalische Zielsetzungen
• Physikalische Fragestellungen + exp. Bedingungen am Beschleuniger
(Raten, Signal-zu-Untergrund,….) bestimmen das Detektordesign
• LEP-Physik:
- Vermessung der Eigenschaften der Z0-Resonanz
- Suche nach neuen Teilchen (Supersymmetrische Teilchen,….)
- Suche nach dem Higgs-Boson
- Physik der Schweren Quarks (B-Mesonen, kein Top in Reichweite)
• Signaturen:
- Geladene Leptonen: Elektronen, Myonen, Taus (identifiziert)
- Photonen
- Hadronen (Jets)
- π/K-Trennung nicht essentiell, aber hilfreich für viele Analysen,
insbesondere für B-Meson-Zerfälle
Wichtige Ergebnisse
Elektroschwache Präzisionsmessungen:
Alle Daten in Übereinstimmung mit dem Standardmodell der Teilchenphysik
Wichtige Ergebnisse
Suche nach dem Higgs-Boson u. supersymmetrischer Teilchen:
MH > 114.4 GeV/c2 (95% CL)
m (SUSY-LSP) > ~ 45 GeV
ALEPH: ein typischer LEP-Detektor
Länge: 11 m
Höhe: 9.3 m
Gewicht: 3000 t
„Barrel“ +
„Endcap“ - Geometrie
Magnetfeld im Inneren Bereich, erzeugt durch eine supraleitende
Solenoidspule, Feldstärke: 1.5 T
(Spurdetektoren und el.magn. Kalorimeter innerhalb des Magnetfeldes)
Der Silizium-Vertexdetektor
Silizium-Streifendetektoren:
Zwei Zylinderlagen, Radien von 9.6 und 11.3 cm, doppelseitige Sensoren,
82944 analoge Auslesekanäle
Genauigkeit in (r-φ)-Richtung: ± 13 µm
Hauptaufgabe: Bestimmung der Lebensdauer kurzlebiger Hadronen (B-Mesonen),
Rekonstruktion von Sekundärvertices
Einige Messergebnisse:
(i) Ansprechwahrscheinlichkeit =
Effizienz
Zahl der registrierten Spurpunkte /
Zahl der möglichen Spurpunkte
(Selektion guter Spuren, z.B. Z → µµ)
(ii) Auflösung des Stoßparameters
(impact parameter)
Essential analysis tool: b-tagging
(a) Distribution of the b-tagging variable for jets in data compared to the MC expectations (√s = mZ) in 2000
(b) Relative difference between data and MC for jets opp. non b-tagged jets (red circles) and for jets opp.
b-tagged jets (blue squares).
(c) Distribution of the b-tagging variable for jets opp. to b-tagged jets in a sample of qqγ events.
(d) same, but for jets in a sample of W+W- → qq µ ν events
Der Innere Spurdetektor
-eine zylindrische Vieldrahtproportionalkammer• Länge: 2 m, zylindrische Kammer
• Radius: 16 – 26 cm (von Strahlachse)
• 960 Signaldrähte, angeordnet in acht Lagen
• Ortsauflösung in (r-φ)-Richtung: ±100 µm
• Messung der z-Koordinate durch Laufzeitunterschiede an den beiden Enden der Drähte,
→ Genauigkeit in z-Richtung: ± 3 cm
Hauptaufgaben: - Information über den Spurverlauf in der Nähe des Wechselwirkungspunktes
(zur Unterstützung des Silizium-Vertexdetektors, historisch)
- Liefert schnelle Informationen über Spuren geladener Teilchen
für der Triggersystem
Die Zeitprojektionskammer
- der zentrale Detektor von ALEPH• Innenradius:
31 cm
• Außenradius: 180 cm
• Länge: 4.7 m
• Zentrale Elektrode,
zusätzliche feldformende Potentialstreifen
auf den Innenmantel des Zylinders
Hauptaufgabe: Impulsmessung der Spuren
geladener Teilchen
Die Zeitprojektionskammer (cont.)
• Auslese an den Endplatten mit
Hilfe von Vieldrahtproportionalkammern
• Drähte verlaufen im wesentlichen in
azimutaler Richtung (6336 Drähte)
• 41004 Kathodenplättchen (pads) hinten
den Drähten
• Ortsauflösungen:
(r-φ)-Kooridinate: Drähte + pads: ~ 160 µm
z-Koordinate: Driftzeit:
1 mm
• Impulsauflösung: (Transversalimpulse)
TPC alleine:
σ(p) / p = 1.2 ·10-3 · p (GeV/c)
TPC + Innere Spurkammer + Siliziumstreifen:
σ(p) / p = 0.6 ·10-3 · p (GeV/c)
Die Zeitprojektionskammer (cont.)
dE/dx Messungen in der TPC
> 150 Messungen / Spur
Die Zeitprojektionskammer (cont.)
Die ALEPH-TPC von außen,
nach Verkabelung
Das Innere der ALEPH-TPC
Die Zeitprojektionskammer (cont.)
„Laserspuren“ (Ionisation durch Laser-Licht) zur Kalibration der TPC:
Beispiel der Laserkalibration (Bestimmung der Driftgeschwindigkeit)
Das elektromagnetische Kalorimeter
• Innerhalb des Magnetfeldes, d.h. vor der supraleitenden Magnetspule
• Vorteil: keine Energieverluste el.magn. ww. Teilchen im „toten Material“ der Spule
→ möglichst gute Energiemessung für Elektronen und Photonen
• Aufbau: Sampling Kalorimeter aus Blei / Gas (Vieldrahtproportionalkammern),
Füllgas: 80% Xe + 20% CO2
Tiefe: 22 Strahlungslängen, gute laterale Segmentierung, Zellgröße: 1o x 1o,
Segmentierung der Auslese: 3 x 3 cm2 große Kathodenpads
• Energieauflösung: σ (E) / E = 17% / √E ⊕ 1.6 % ( E in GeV) (moderat)
• Ortsauflösung:
σx,y = 6.8 mm / √E
(E in GeV) (sehr gut)
• e/π Separation (aufgrund der Schauerform)
π-Unterdrückungsfaktor ~ 1000 für eine Elektroneffizienz von 95%
Modul des elektromagnetischen Kalorimeters
(Kurz vor der Installation)
Das hadronische Kalorimeter
• Aufbau: Sampling Kalorimeter aus Eisen / Gas (Streamer-Rohre),
Füllgas: 13% Ar, 57% CO2 und 30% Isobutan
Segmentierung der Auslese: Anodendrähte + Kathodenstreifen
• Energieauflösung: σ (E) / E = 84% / √E ⊕ 3% ( E in GeV) (moderat)
• Ortsauflösung:
σx,y = 3.5 mm
Hauptaufgaben:
• Energiemessung der Hadronen
• Rückflussjoch für den magn. Fluss
• Myon-Identifikation durch Signale in
den hinteren Lagen
Das hadronische Kalorimeter
(Kurz vor der Installation)
Das Myonsystem
• Doppellagen von Myonkammern außerhalb des hadronischen Kalorimeters
• Aufbau: Streamerrohre (Auslese: Anodendraht + Kathodenstreifen, wie im hadr.
Kalorimeter)
• Gute Myonidentifikation zusammen mit dem el.magn. und hadronischen Kalorimeter
(s. unten)
ALEPH Myon-Kammern
Gemessene Ladungsverteilung von 20 GeV
Pionen und Myonen im
ALEPH-Hadron-Kalorimeter
Beispiel einer e+e- Kollision, gemessen in der ALEPH-TPC
e+e- → e+ e-
Beispiel einer e+e- Kollision, gemessen in der ALEPH-TPC
e+e- → µ+ µ−
Beispiel einer e+e- Kollision, gemessen in der ALEPH-TPC
10.2 Das ATLAS-Experiment
am
Large Hadron Collider
The Large Hadron Collider (LHC)
• Proton-proton accelerator in the
LEP-tunnel at CERN
p
⇒
⇐
7 TeV
p
7 TeV
- Highest energies per collision
- Conditions as at times of 10-13 -10-14 s
after the big bang
• Four planned experiments: ATLAS, CMS
LHC-B
ALICE
(pp physics)
(physics of b-quarks)
(Pb-Pb collisions)
• Constructed in an international collaboration
• Startup planned for 2007
Important components of the accelerator
• superconducting dipole magnets
- challenge: magnetic field of 8.33 Tesla
- in total 1232 magnets, each 15 m long
- operation temperature of 1.9 K
LHC is the largest cryogenic system in the world
• Eight superconducting accelerator structures,
acceleration gradient of 5 MV/m
The maschine status
Lowering of the first dipole into the tunnel
(March 2005).
By now there are ~60 dipoles
The magnet production proceeds very
well and is on schedule, also the quality
of the magnets is very good!
On the critical path for the first collisions :
installation of the LHC in the tunnel
See : http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/DashBoard/index.asp
Status of the LHC machine
Beam energy
Luminosity
Bunch spacing
7 TeV
1033 - 1034 cm-2s-1
25 ns
Particles/Bunch
1.15 ·1011
SC Dipoles
1232, 15 m, 8.33T
Stored Energy
362 MJ/Beam
• Key components available
• Installation progressing in
parallel and at high speed;
aim to finish by end March 2007
• “Every effort is being made to
have first collisions by end of
2007”
A “likely” startup scenario:
Late 2007:
Proton run
~ 10 - 100 pb-1 (for 10 pb-1: number of tt events comparable to
Tevatron with 1 fb-1)
→ detector and trigger commissioning, calibration, early physics
By end 2008: Physics runs:
~ 1 – 10 fb-1
Installation work,
underground
Preparation for installation, Hall SMI2
Physics at Hadron Colliders
• Protons are complex objects:
Partonic substructure:
Quarks and Gluons
• Hard scattering processes:
(large momentum transfer)
quark-quark
quark-gluon scattering or annihilation
gluon-gluon
However: hard scattering (high PT processes) represent only a tiny fraction
of the total inelastic pp cross section
Total inelastic pp cross section ~ 70 mb (huge)
Dominated by events with small momentum transfer
Proton proton collisions at the LHC
Proton – proton:
2835 x 2835 bunches
Separation: 7.5 m ( 25 ns)
1011 protons / bunch
Crossing rate of p-bunches: 40 Mio. / s
Luminosity: L = 1034 cm-2 s-1
~109 pp collisions / s
(superposition of 23 pp-interactions
per bunch crossing: pile-up)
~1600 charges particles in the detector
⇒ high particle densities
high requirements for the detectors
Cross Sections and Production Rates
Rates for L = 1034 cm-2 s-1: (LHC)
• Inelastic proton-proton
reactions:
109 / s
• bb pairs
• tt pairs
5 106 / s
8
/s
• W →eν
• Z →ee
150 / s
15 / s
• Higgs (150 GeV)
• Gluino, Squarks (1 TeV)
0.2 / s
0.03 / s
LHC is a factory for:
top-quarks, b-quarks, W, Z, ……. Higgs, ……
The only problem: you have to detect them !
What experimental signatures can be used ?
Quark-quark scattering:
No leptons / photons in the
initial and final state
q
q
p
q
q
p
If leptons with large transverse momentum are observed:
⇒ interesting physics !
Example: Higgs boson production and decay
l
q
q
W
W
H
p
l
ν
q
q
p
Important signatures:
• Leptons und photons
• Missing transverse energy
ν
Detector requirements from physics
• Good measurement of leptons and photons
with large transverse momentum PT
• Good measurement of missing transverse
energy (ETmiss )
and
energy measurements in the forward regions
⇒ calorimeter coverage down to η ~ 5
• Efficient b-tagging and τ identification (silicon strip and pixel detectors)
Suppression of background:
Reconstruction of objects with large transverse momentum
Reconstructed tracks
with pt > 25 GeV
Detector requirements from the experimental environment (pile-up)
• LHC detectors must have fast response,
otherwise integrate over many bunch
crossings
→ too large pile-up
Typical response time : 20-50 ns
→ integrate over 1-2 bunch crossings
→ pile-up of 25-50 minimum bias events
⇒ very challenging readout electronics
• High granularity to minimize probability that
pile-up particles be in the same detector
element as interesting object
→ large number of electronic channels, high cost
• LHC detectors must be radiation resistant: high flux of particles from pp
collisions
→ high radiation environment
in 10 years of LHC operation
e.g. in forward calorimeters: up to 1017 n / cm2
The ATLAS experiment
• Solenoidal magnetic field
(2T) in the central region
(momentum measurement)
High resolution silicon
detectors:
- 6 Mio. channels
(80 µm x 12 cm)
-100 Mio. channels
(50 µm x 400 µm)
space resolution: ~ 15 µm
• Energy measurement down
to 1o to the beam line
• Independent muon
spectrometer
(supercond. toroid system)
Diameter
Barrel toroid length
End-cap end-wall chamber span
Overall weight
25 m
26 m
46 m
7000 Tons
Der ATLAS Detektor im Vergleich ….
ATLAS Collaboration
(Status Oct. 2003)
Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU
Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis,
Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton/CRPP, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese
Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund,
JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard,
Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici,
KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC
London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille,
MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal,
FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich,
Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, Northern Illinois, BINP Novosibirsk,
Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS
Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome
III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay,
Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas,
NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo
ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC
Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan
(151 Institutions from 34 Countries)
Total Scientific Authors
Scientific Authors holding a PhD or equivalent
1600
1310
ATLAS detector construction and installation
ATLAS Installation
November 2005
• Impressive progress! Nearly all detector components at CERN;
• Installation in the pit proceeding well, although time delays, work in parallel to catch up;
• On critical path: Installation of Inner detector services and forward muon wheels (time);
• ATLAS expected to be ready in August 2007 … one more tough year ...
Das ATLAS-Myonspektrometer
Die Toroid-Magnetfelder
Barrel region
∫Bdl (Tm)
7.5
φ = π/8
5
Transition region
10
End-cap
region
2.5
φ=0
0
0
Die Myonkammern
1
η
2
Die Myonkammern (cont.)
Resistive plate chambers
MDT chambers
Barrel toroid
coils
End-cap
toroid
Inner detector
Calorimeters
Die Myonkammern (cont.)
MDT: Monitored Drift Tubes
Installation of ATLAS muon chambers, Feb. 2006
50 µm wire
Threshold at 5 × noise
Shaping time 15 ns
GARFIELD simulation
Measurement
Contribution to resolution (%)
RMS resolution (µm)
Myon-Rekonstruktion, Auflösungen
12
10
8
Wire resolution and autocalibration
Chamber alignment
Multiple scattering
Energy loss fluctuations
Total
|η| < 1.5
6
4
2
Distance from wire (mm)
0
10
10
2
10
3
pT (GeV)
Das ATLAS-Kalorimetersystem
ATLAS Kalorimeter
Struktur des el.magn. Kalorimeters
ATLAS Kalorimeter
Energieauflösung für Elektronen und Photonen:
ATLAS detector construction: Calorimeters
Der Innere Spurdetektor
• Hohe Spurdichte kann durch hohe Granularität der Detektoren
aufgelöst werden
→ Silizium-Streifen- und Pixeldetektoren im inneren Bereich
Der Innere Spurdetektor (cont.)
Der Innere Spurdetektor (cont.)
…. a few ATLAS pictures from the Inner Detector
Insertion of the Silicon Tracker (barrel) in the TRT
(February 2006)
Insertion of the Silicon Tracker into the TRT
Transition Radiation Tracker (TRT)
The first tracks in the ATLAS detector
-cosmic particles-
Number Hits
-1
σ(1/pT) (TeV )
Performance of the ATLAS Inner Detector
1
0.75
SCT
Pixels
10
5
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0.25
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
|η|
Impulsauflösung für eine 500 GeV Spur
als Funktion der Pseudorapidität |η|
Number TRT Hits
|η|
40
20
0
0
0.5
1
Simulation eines H → ZZ*→ 4ℓ Ereignisses
1.5
2
2.5
|η|
A simulated H → γγ event in ATLAS
ATLAS
A simulated B-Meson decay in ATLAS
ATLAS Barrel Inner Detector
o
o
Bd → J/ψ Ks
π
-
π
+
e
+
e
-
10.3 Das COMPASS-Experiment
am
CERN Super Proton Synchrotron (SPS)
COmmon
Muon and
Proton
Apparatus for
Structure and
Spectroscopy
(Fixed Target Experiment)
Jura
COMPASS
Geneva Lake
COMPASS Physics
Hadron structure and Spectroscopy
•
Muon beam programme
– Quark and gluon
polarisation in polarised
nucleon
Hadron beam programme
– Glue balls
– Semi-leptonic decays of charmed
hadrons
– Double charmed hadrons
– Polarisation transfer in
fragmentation
Operate in quite different conditions with
(µ, p, π) beams
RICH2
ECAL2
HCAL2
MW1
Spectrometer layout
RW
•
MW2
beam
Large angle
spectrometer
Small angle spectrometer
• two-stage spectrometer, each stage comprising
ƒ small and large area tracking
ƒ momentum measurement
ƒ particle ID
• Blue: detectors for next stage of experiment, to be constructed
The COMPASS-Spectrometer
Hodoscopes
E/HCAL2
E/HCAL1
RICH1
SM2
Muon Wall 2,
MWPC
SM1
Polarised Target
SPS 160 GeV
µ beam
MWPC, Gems, Scifi,
W45 (not shown)
Muon Wall 1
Straws, Gems
Scifi, Silicon
Micromegas, SDC, Scifi
Spectrometer 2002
COMPASS Spectrometer
Scintillating fibre Detector
Kuraray SCSFSCSF-78MJ
7 fibre layers with
0.5 – 1 mm diameter
up to 5 MHz/fibre
4x4 – 12x12 cm2
350 – 550 ps
130 – 250 µm
efficiency ~ 99 %
MicroMegas
1 kV/cm
40 kV/cm
e-
3 mm
Conversion
100 µm
3 stations, 12 coordinates
size 40x40 cm2
pitch 360 – 420 µm
time res. < 10 ns
space res. 70 µm
efficiency > 97%
Ne/C2H6/CF4 80/10/10 %
Micromesh
Amplification
Strips
MicroMegas stations
Gems
• 20 triple Gems detectors
• in 10 stations
• 40 coordinates
• size 30x30 cm2
• 12 ns time resolution
• 50 µm space resolution
• efficiency ~ 97 %
• Ar/CO2 70/30 %
-4100 V
0V
Gems
Gem foil
Straw Tube Detectors
10 mm straws
6 mm straws
Hole
2
160 x 230 mm
10 mm straws
• 15 double layers of 6 and 10
mm straws
• size 325x242cm2
• resolution 270 µm
• efficiency 85 – 98 %
• Ar/CF4/CO2 74/20/6 %
MWPCs
• 11 stations with 34 planes
• size 150x120 cm2 (150x94 cm2 )
• 2 mm pitch
• efficiency 99 %
• Ar/CF4/CO2 74/20/6 %
Muon Wall 1
• size 4x2 m2
• 2 stations sandwiching a 60 cm
iron absorber
• 4 double layers per station
• 10 mm pitch
Calorimetry
•
•
•
HCAL 1 (500 ch)
sandwich: Fe + scintillator
planar WLS for read-out
π:
σ
E
=
•
σ
E
59.4%
⊕ 7.6%
E
•
•
•
•
HCAL 2
(200 ch)
sandwich: Fe + scintillator
WLS fibres for read-out
π:
σ
E
=
65%
⊕ 4%
E
ECALs
=
5.8%
⊕ 2.3%
E
lead glass
HCAL2
20x20 cm2 module size
Ring Imaging Cherenkov Counter
•
80 m3 (3 m C4F10 radiator)
•
116 mirrors
•
m
photon
detectorts
5.3 m2 detectors
– MWPC CsI photosensitive cathodes
– 8x8 mm2 pads
mirror
wall
84k analog r/o channels
be
5.3 m
•
6.6
am
3.3
m
COMPASS RICH (cont.)
RICH performance
single event, low intensity
80 % C4 F10, 2050V
Cherenkov angle for
rings with β≅1
Data
σ = 0.39 mrad
<n> = 15 photons
π/K Trennung bis zu 40 GeV/c
10.4 Das GLAST-Experiment
(Gamma Ray Large Area Space Telescope)
GLAST Detektorkomponenten:
• Präzisionsspurdetektor (Silizium-Streifenzähler)
• CsI Kristallkalorimeter
• Antikoinzidenzzähler (Szintillatoren)
• Trigger- u. Datennahmesystem
Spurdetektor:
Kalorimeter:
Overview of LAT
γ
• Precision SiSi-strip Tracker (TKR)
18 XY tracking planes. Single-sided
silicon strip detectors (228 µm pitch)
Measure the photon direction;
gamma ID.
Tracker
• CsI Calorimeter(CAL)
Calorimeter(CAL)
Array of 1536 CsI(Tl) crystals in 8
layers. Measure the photon energy;
image the shower.
• Segmented Anticoincidence
Detector (ACD) 89 plastic
scintillator tiles. Reject
background of charged cosmic rays;
segmentation removes self-veto
effects at high energy.
ACD
[surrounds
4x4 array of
TKR towers]
e+
e–
Calorimeter
• Electronics System Includes flexible,
robust hardware trigger and
software filters.
Systems work together to identify and measure the flux of cosmic gamma
rays with energy 20 MeV - >300 GeV.