Detektoren - CERN Indico
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Detektoren Frank Hartmann Institut für Experimentelle Kernphysik Überblick • W Wechselwirkung h l ik --- Teilchennachweis T il h h i • Bestimmung der Teilcheneigenschaften – Teilchenphysik l h h k • HEP Detektoren – Spurdetektoren S d k – Energiebestimmung – Teilchenidentifizierung – „Multipurpose Multipurpose“ (Vielzweck-) Detektoren – Infrastruktur 2 Wechselwirkungen Eigenschaften NACHWEIS Teilchen können nicht “direkt” gesehen/gemessen werden. Nur das Resultat einer Wechselwirkung mit dem Detektor(material) kann beobachtet werden! Schlussendlich wird alles konvertiert in • Optische Bilder 3 • Strom oder Spannungssignale Teilchen – Teilchen Interaktionen • Streuung • Annihilation • und die Produktion neuer Teilchen • All Ereignisse entstehen durch – Colliding Beam Experiments – Fixed Target Experiments 4 Wechselwirkungen • Photonen – Compton Streuung – Photo Effekt – Paarbildung • Geladene Teilchen – Streuung (mit Atomen, Elektronen, etc. ) unerwünscht – Ionisation (Herausschlagen ( g eines Elektrons)) • Bethe-Bloch-Formel – Anregung/Excitation (Elektron in höheres Niveau Rückfall Lichtabstrahlung) • (z.B. Szintillatorlicht) – Photonabstrahlung • Bremsstrahlung (beschleunigte Ladung strahlt Photonen ab) • Übergangsstrahlung (transition radiation) • Cherenkov Licht (Überlichtgeschwindigkeit Ü im Medium) • Hadronische Wechselwirkung Anregung/Excitation/Szintillation Ionisation – Sta Starkee Kernkraft e a t – Inelastische e ast sc e nukleare u ea e Wechselwirkung ec se u g γ • Geladene und ungeladene Hadronen e• Resultat: Kernfragmente (real gemessen werdenedie geladenen Fragmente) • Neutrinos p p p p – „Keine“ Wechselwirkung in Teilchendetektoren an Beschleunigerdetektoren – Signatur: Fehlende Energie (Missing Energy) 5 Ionisation: Bethe-Bloch-Formel Coulombwechselwirkung Energieverlust der Teilchen pro Wegstrecke Ionisation (Ionen, Elektron-Lochpaare können nachgewiesen werden) z … charge of the traversing particle Z, A … Ordnungszahl und Massenzahl des Targets ρ … Targetdichte, Targetdichte NA … Avogadrozahl I … mittleres Ionisationspotential (Materialkonstante des Targets) Wmax ... max. max Energieübertrag in einer Einzelkollision δ … Dichtekorrektur (Polarisationseffekt, δ ≈ 2.lnγ + K ) C … Schalenkorrektur (wichtig für kleine Projektilgeschwindigkeiten) β: Geschwindigkeit/c Minimal ionisierendes Teilchen MIP 6 Teilchen Eigenschaften • Welche W l h Ei Eigenschaften h ft h hatt ein i TTeilchen? il h ? – – – – – – – Energie Impuls Ladung Masse Lebenszeit (life time) Spin Zerfallsmoden • Welche sind direkt messbar? 7 Teilchen Eigenschaften g E ⎛ p1 ⎞ r ⎜ ⎟ p = ⎜ p2 ⎟ ⎜p ⎟ ⎝ 3⎠ ⎫ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪⎭ ⎛E⎞ ⎜⎜ r ⎟⎟ ⎝ p⎠ • Welche Eigenschaften können hergeleitet werden? Masse: S i Spin: r2 2 E = m ⋅c + p c ⇒ m = 2 2 4 r2 2 E −p c c2 2 etwas t abstrakter b t kt aus d der Wi Winkelverteilung k l t il 8 Messen der Teilcheneigenschaften • Ladung – Richtungg • Lifetime LB BNL Image Library Magnetfeld Entdeckung des Positron 1932 C Carll A Anderson, d Noble Prize 1936 – Messe Strecke 9 Messen der Teilcheneigenschaften • Impuls F = q ⋅v⋅ B =m⋅ v2 R r ⇒q⋅ B⋅ R =m⋅v = p • Geschwindigkeit - Flugzeitmessung: time of flight TOF - RICH (siehe später) • Energie - Kalorimeter 10 Das Prinzip am Beispiel eines TOP Quarks Theorie Realer Detektor CDF in Chicago Statistik Ereignis 11 Higgs Boson, ein Beispiel pp H ZZ µ µ µ 4 4µ Theorie µ Detektor CMS in Genf,CERN µ µ Ereignis, CMS µ Ereignis, ATLAS µ ATLAS 12 Schnitt durch den CMS Detektor Teilchen Wechselwirkung und Rekonstruktion Jedem Teilchen “SEINEN” Detektor 13 Spurdetektoren (Spur: Impuls, Impuls Ladung Ladung, Zerfall) Kalorimeter (Energie) ECAL: Elektromagnetisches Kalorimeter HCAL: Hadron Kalorimeter Teilchenidentifikation Myonkammer (Spur, Myonnachweis) Vielzweckdetektor ((Multipurposedetektor: p p alles zusammen)) DETEKTORARTEN 14 • Nebel Nebel-,, (Funken (Funken-), ), Blasenkammer HISTORISCHE SPURDETEKTOREN 15 Anderson und seine Nebelkammer “Historischer” Detektor: Nebelkammer – – Kammer mit saturiertem Wasserdampf Geladene Teilchen hinterlassen Ionen • – Sichtbare Spur kleiner Wassertropfen Photographie LBNL Image Libra ary – Wasser kondensiert an den Ionen UK Sciencce Museum • Nebelkammer (1911 by Charles T. R. Wilson, Noble Prize 1927) Stahlplatte Magnetfeld Positron Entdeckung des Positrons16 (1932 Carl Anderson, Noble Prize 1936) “Historischer” Detektor: Blasenkammer Siehe Nebelkammer: Wasser im Siedeverzug (anstatt Wasserdampf) Geladenes Teilchen erzeugt Ionen Kondensation Spur Photographie Entdeckung des “Neutralen Neutralen Stroms” Stroms Gargamelle Blasenkammer C CERN (1973 von der Gargamelle Kollaboration) 17 Die Soziale Komponente Das Zeitalter der „Scanning Scanning Girls“ Girls CERN Spiegel Projektor 18 Scanning table (1972) Detektoren, geschichtlich • Nebelkammern dominierten bis in die 50er – Aktuell sehr populär in Ausstellungen ☺ • Blasenkammern hatten ihren Höhepunkt 1960-1985 – Letzte große Blasenkammer: Big European Bubble Chamber; zu besichtigen im CERN Mikrocosmos • Draht- und Driftkammer dominierten seit den 80er – Noch heute im Einsatz • Seit den frühen 90er sind Halbleiterdetektoren im Einsatz – – Zu Beginn: kleine Vertexdetektoren Heute ~200 m2 Siliziumspurendetektor in CMS 19 Historische Detektoren Nebelkammer (Cloud Chamber) Blasenkammer (Bubble Chamber) Funkenkammer Gasdetektoren Festkörper- (Halbleiter-) Detektoren (Szintillator-Spurendetektor) (Szintillator Spurendetektor) SPURENDETEKTOREN HEUTE ELEKTRONISCHE DATENNAME 20 Detektieren nur geladene Teilchen Funktion von Spurendetektoren p • Vermessung der Teilchenspur • Ermittle – Ladung – Impuls in Verbindung mit einem Magnetfeld • Spuren werden aus Raumpunkten rekonstruiert 21 Rekonstruktion der Spuren CMS Spurdetektor aktuell im Test 22 23 Ionisationszähler (Geiger-Müller-Zähler) ( g ) Proportionalkammer Vieldrahtproportionalkammer Driftkammer Zeitprojektionskammer Mikro-Streifen-Gasdetektoren Resistive Plate Chambers SPURENDETEKTOREN GAS 24 Ionisationszähler Kathode Signal g + HV -+-++++ - ++ - - - - -+++ t = 0 t = t1 Gas gefüllte Röhre Signalentwicklung F.Sauli, CERN 77-09 • Lawinenbildung nahe der Anode • Signal proportional zur deponierten Energie 25 Entwicklungg der Gasdetektoren • Geiger Geiger--Zähler Zähler: Binäre Antwort • Anzahl Teilchen • Jedes Teilchen gleiche Ladung • Proportionalzähler Proportionalzähler: – Primärionisation Sekundärionisation (Lawine) ( ) • Vieldrahtproportionalkammer – Viele Proportionaldrähte in einer Kammer • Anodendrähte wechseln mit Kathoden ab – Ortsauflösungg (Spurenerkennung) ( p g) – Nobelpreis: G. Charpak, 1992 26 MWPC ITC (ALEPH) Inner Tracking Chamber 27 Driftkammer • Standard Drahtkammern sind begrenzt in der Auflösung durch den minimalen Drahtabstand • Driftkammern weiten den Abstand und berücksichtigen die Driftzeit – Natürlich muss die Zeit des Teilchendurchgangs bekannt sein 28 Kloe Driftkammer in Frascati 29 Zeitprojektionskammer (TPC) E - - + + B - + - - - + -+ + Drahtkammer misst r,φ z = vdrift t Maximierungg der Driftzeit Nicht für große Raten geeignet Perfekt für (1) Elektron-Positron Kolider und (2) Schwerionen Kolider 30 ALICE TPC: courtesy of CERN Systeme werden größer und größer Nutzung industrieller Methoden zur Herstellung Strahlenhärte is wichtig 31 Gasdetektoren ohne Drähte Cartesian Compass, LHCb MikrostreifenGaskammer 100 μm MSGC: Small angle 10 μm 50 μm • Strukturierte St kt i t Ebenen Eb statt t tt D Drähte äht • Dünne Kammern; HOCHspannung • Spezielle Feldkonfigurationen zur Gasverstärkung 140 μm Hexaboard, pads MICE Resitive Platechamber readout strips resistive electrode Micromegas: H V clusters gas gap E resistive electrode readout strips 2 mm GN D Mixed Totem 32 Myonen-”detektoren” Myonen passieren sowohl die Kalorimeter, als auch das Magnetjoch alles außerhalb sind Myonen (abgesehen von Neutrinos) Gasdetektoren messen nun die Myonenspur im Magnetfeld ATLAS 1200 Myonen-Kammern mit 5500 m2 CMS Myonzylinder im Magnetjoch. ATLAS Myon Endkappe. Myonendetektoren 33 TIMEPIX Chip: Add 3rd coordinate (TIME) and TOT TIME Mode determine time arrival of electron (clock ~ 48 MHz, 580 580--600 counts range ~ 400 ns) ns) Time Over Threshold (TOT) Mode possibility to evaluate cluster charge and to correct for timetime-walk (25 - 600 count range 800 - 35000 e -) Mixed Mode (both measurements at the same time) consecutive pixels are in TOT / TIME mode FINE GRANULARITY 3D TRACKING + TOT Information : • Superior double track resolution • Benefit from TOT & TIME information simultaneously (correct timewalk using TOT) Hier mit Gasdetektor Funktioniert aber auch mit anderen Sensors 14 mm Streifenzähler St if ähl Pixel (Silizium-Drift-Sensor; (Silizium Drift Sensor; DepFET, CCD, CMOS) HALBLEITERDETEKTOREN - SILIZIUM 35 Halbleiterdetektoren (Silizium) • Funktionsweise: k Siehe h Gasdetektoren d k ;-)) – Ionisation im Festkörper, statt im Gas – Keine Ladungsverstärkung! • Ca. 108 freie Ladungsträger gegenüber 104 erzeugte Ladungsträger (bei Zi Zimmertemperatur) t t ) L d Ladungsverarmung nötig öti – Segmentierung / Strukturierung von Dioden, welche in S Sperrrichtung i h b betrieben i b werden! d ! Ladungsverarmte Dioden 36 Funktionsweise Diod de Verarmungsspannung p g E-Feld p n 37 Siliziumstreifendetektor von oben und Ihre Eigenschaften • Sehr kleine Streifenabstände möglich 20-200µm • Sehr gute Auflösung ~3 3-5µm 5µm • Sehr schnell 38 Braucht man so eine hohe Auflösung? Identifikation eines b b-Quark k Ereignisses ~3 mm = ~1ps = τb 39 Increase in precision p =Beam crossing point 0 40 x 1cm Mean Lifetime of tau τ=290 x 10-15 sec !! --> cτ = 87 μm !? 41 DELPHI @ LEP DELPHI @ LEP nach 1997 CDF @ Fermilab in Chicago (nimmt aktuell Daten) 42 Blütenblätter & Stäbe & Leitern & Halbschalen: Wer baut denn so was? CMS halfshell ALICE ladder CMS petal LHCb TT ladder CMS rod 43 Bis zu 14 Sensoren pro Leiter(4 Sensoren pro Hybrid) Der CMS Spurendetektor 206 m² Fläche 25.000 Siliziumsensoren 10Mio Streifen ≡ Elektronische Kanäle 75 376 Auslesechips 75.376 26.000.000 Bonds 37.000 Analog optische Links 3.000 km optische Fibern 44 45 ATLAS Endkappe ATLAS Barrel 3 46 47 Silizium-Pixel-Sensoren • Funktionsprinzip: siehe Siliziumstreifensensoren • Segmentierung: Pixel(-dioden) statt Streifen(-dioden) – Elektronik El kt ik aufgesetzt, f t t um alle ll Pi Pixell zu erreichen i h Streifen: Nur eine Koordinate, Pixel sind 2D Detektoren Senso or Draht Ultraschall Draht-UltraschallVerschweißung “bonding” “bump” bonding Kanäle: ~108 - 109 ECAL Elektromagnetisches Kalorimeter Elektronen und Photonen HCAL Hadronisches Kalorimeter Hadronen: Mesonen(z.B. Pionen) Baryonen (z.B. Protonen) KALORIMETER (ENERGIEMESSER) 48 Aufgabe eines Kalorimeters • M Messung der d EEnergie i durch d h ttotale t l Ab Absorption ti (destruktiv) • Detektorantwort ~ E für – Geladene Teilchen • Elektronen/Positronen und Hadronen – Neutrale Teilchen (n, γ) • Prinzipielle Funktionsweise: – Elektromagnetische Schauer – Hadronische Schauer • Konversion in Ionisation oder Anregung des p g Detektormaterials Strom, Spannung 49 Elektromagnetischer Schauer Bremsstrahlungg (γ Abstrahlung) g) Lead atom Paarbildung (Elektron-Positron) usw. Bis die Energie aufgebraucht ist ;-) 50 Strahlungslänge: X0 = Länge bei der ein Elektron 1/e seiner Energie durch Bremsstrahlung verliert Hadronisches Kalorimeter • Kaskade mit elektronischer und hadronischer p Komponente 51 Kalorimeter und Schauer Wie misst man nun die Energie? Photon-induzierter Schauer in einer Nebelkammer; die schwarzen Bereiche sind Blei-Platten;; senkrecht zur Bildebene wirkt ein Magnetfeld Die Energie ist nun proportional zur Lichtmenge & Eindringtiefe des Schauers Dies ist nun mit bloßem Auge etwas mühselig ;-( 52 Also müssen wir die Lichtmenge und Wegstrecke elektronisch messen! Szintillator: Funktionsweise Totalreflektion Photomultiplier/Sekundär-Elektronenvervielfacher: Konvertiert Licht in ein elektronisches Signal Szintillator 53 Teilchendurchgang Atomanregung γ Abstrahlungg Führungg zur Photokathode Photoeffekt Primärelektron Vervielfachung via Dynoden unter Spannung 54 CMS Hadron Kalorimeter Lichtleiter im Szintillator, um das Licht zum Photomultiplier zu führen führen. 55 Kalorimeter H Homogenes K Kalorimeter l i t Sampling Kalorimeter Szintillator wechselt mit Absorbermaterial Li htl it & PM Lichtleiter Sampling Kalorimeter 56 CMS ECAL in der Kaverne 2007 57 ALEPH ECAL Pionen Elektron 58 M Myonen Photonen 59 TOF (Time Of Flight / Flugzeitmesser) RICH (Ring Image Cherenkov Counter) Überlichtgeschwindigkeit! Geht das? dE/dx (Energieverlustmessung pro Strecke) PARTICLE ID TEILCHENIDENTIFIZIERUNG Impuls & Geschwindigkeit? 60 Masse (Identität) Exkurs: Geschwindigkeit durch Vermessung einer Schockwelle! Geschwindigkeit g des Geschosses? c/v / = cosθ θ Siehe Bild: Winkel 52o, v = c/cosθ = 340m/s / cos52o = 552m/s 61 Siehe auch Mach‘scher Kegel beim Überschallflugzeug Cherenkov Strahlungg Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit 1. Grundlegend: Durchgang eines geladenen Teilchens Atomanregung Photonenabstrahlung 2 Teilchengeschwindigkeit größer als die 2. 1 „Lichtgeschwindigkeit im Medium“ cMedium = cVakuum n 3 Schockwelle 3. S h k ll v cMedium cVakuum 1 v= = cos α n cos α 4. Abbildungg des Kegels g auf einen Kreis im bestimmten Abstand α v 62 2 unterschiedliche Radiatoren = 2 Impulsbereiche 63 LHC ALICE RICH Installation 64 LHCb RICH System test 65 DELPHI Teilchen Identifikation TPC Bethe-Bloch: dE/dx ~ v (β) Liquid RICH Gas RICH http://delphiwww.cern.ch/delfigs/export/pubdet4.html DELPHI, NIM A: 378(1996)57 66 Wiederholung: Ort und Aufgabe der einzelnen Detektoren Vielzweckdetektoren – Multipurpose 67 Exkurs: Der Perfekte Detektor • Sollte alle Wechselwirkungen und alle Teilchen mit 100% Effizienz rekonstruieren ohne ihre Eigenschaften zu ändern – – – – – • • Mit unbegrenzter Auflösung und für alle Energien, Impuls, Teilchen gleich E muss d Er den gesamten t R Raumbereich b i h von 4 4π lückenlos lü k l abdecken bd k Alle Teilchen sollten direkt identifizierbar sein Einfacher Zugang zur Wartung Strahlenhart hl h Dann wären wir in der Lage alle Wechselwirkung direkt mit der theoretischen Vorhersage zu vergleichen Warum geht das nicht? – Effizienz: • Nicht alle Teilchen werden nachgewiesen “Weundetektiert have decided now to identify • Löcher, Spalten erlauben Teilchen den Detektor zu verlassen the particle species by a bar code!” • Rauschen: Kanäle sprechen statistisch auch ohne Wechselwirkung an – Wechselwirkung • Jede Wechselwirkung ändert die Teilcheneigenschaft (siehe Kalorimeter): Eigentlich sollten alle Kabel, Kühlleitungen, Trägerstrukturen masselos sein, damit keine ungewollte Streuung passiert Zugang 68 • – • Großdetektoren sind wie Satellitenexperimente – Bestrahlt, sehr kompakt und kompliziert; Wartung ist faktisch nicht möglich (oder nur sehr schwer) Magnet Konfigurationen der LHC Experiments Solenoid B (air-core) Toroid B Imagnet coil Imagnet + Starkes homogenes Feld in der Spule - Großes Eisen-Rückführjoch notwendig - Größe Limitiert (Kosten) - Spulendicke (Strahlungslänge) CMS, ALICE, LEP Detektoren + großes Volumen + „Luftkern“, kein Eisen, wenig Material -Zusätzlicher Solenoid im Innern nötig i h FFeld ld -- inhomogenes -Komplexe Struktur ATLAS µ µ 69 ATLAS und CMS Spulen CMS Solenoid (5 Segmente) ATLAS Toroid Spulen Herbst 2005 70 Coil Assembly in Surface Hall (Aug05) 71 Exploded View of CMS CALORIMETERS SUPERCONDUCTING COIL ECAL Scintillating PbWO4 crystals HCAL Plastic scintillator/brass sandwich IRON YOKE TRACKER Silicon Microstrips Pixels Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m Magnetic field : 4 Tesla MUON MUON BARREL Drift Tube Chambers Resistive Plate Chambers ENDCAPS Cathode Strip Chambers Resistive Plate Chambers 72 73 74 Der Mittelteil des CMS Detektors auf d Reise in d der die Kaverne 75 Spurendetektor FLY IN CMS fast fertigg 77 Fertigg 78 ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) ~7'000 t main assembly in cavern 22 m 44 m 79 Und besonders akkurat recherchierte Artikel in deutschen Zeitungen 80 Und besonders akkurat recherchierte Artikel in deutschen Zeitungen 81 Reichen Beschleuniger und Detektoren? Was brauchen b h wir noch? h? • Infrastruktur I f t kt – Elektronik, Elektronik, Elektronik • Kabel, Kabel, Kabel (Logistik) • E.g. PC, Kühlung, Gas, Werkstätten, … • E.g. schnelle ADCs, Controller Spannungsversorgung, Kabel, … • • • • • • • Trägerstrukturen Kontrollsoftware Auslesesoftware und Speicherung Analysesoftware der gespeicherten Daten Monte Carlo (Simulation) Jede Menge Menschen!!!!!! … 82 Ein Beispiel: Completion of Services on YB0 Nov ‘07 Nov. 07 Estimated ~50,000 man-hours of work in last 5 months!! Scale of the project (huge): – Install 18 km of Tk cooling pipes with specia insulation and wvb. – Install over 1 km of cables trays (many types): • • • • – – – – – Standard St d d Cooled Tk radial Cooled EB-LV radial Cooled EB-LV periphery Install 100 km of tracker LIC cables Install 80 km of EB cables, optical fibers and pipes Install 19 km of HB cables, optical fibers and pipes Install 30 km of Tk optical fibers About 6,100 cables, 700 optical fiber cables/bundles, 700 pipes for a grand total of about 250km and tens of thousands connection! Chips & Module (Im Prinzip eine eigene Vorlesung) • Nicht zu vergessen ist, ist dass meistens die komplette Elektronik eine Eigenentwicklung ist! – Chips und Treiberkarten werden speziell auf die Experimente zugeschnitten • Zeitkonstanten, Strahlungsumgebung, Magnetfeld muss berücksichtigt werden • Kapazitäten, Ströme, Spannungen, … Rahmen aus Kohlefaser Mikroverschweißungen Ein Beispiel: Bei Ereignissen alle 25ns haben die Teilchen eines Aufpralls den Detektor (mit v=c) noch nicht verlassen bevor der nächste Aufprall passiert. D.h. Der Zeitstempel muss sehr genau sein und die Chips am Sensor müssen Informationen eine Weile speichern Sensoren Kapton Schaltkreis Front-end Hybrid Chips 84 Pitch adapter (glass ATLAS: Infrastruktur & Installation Cryogenic plant fertig und abgenommen 85 Kaverne und Basisinfrastruktur schon seit 2003 Das Endkappen Kalorimeter auf dem Weg nach unten 86 CMS: Kaverne und Gebäude SCX SX5 SDX Infrastruktur: z.B. PCs, Auslesemodule 4 stöckig USC UXC Experiment Kaverne 87 CMS Trigger and DAQ Alle 25 ns 40 MHz COLLISION RATE Dt t Detectors Charge Time Pattern 16 Million channels 3 Gigacell buffers 100 kHz LEVEL-1 TRIGGER Energy Tracks DAQ akzektiert Level-1 Rate of 100kHz 1 Megabyte g y EVENT DATA 1 Terabit/s 200 Gigabyte BUFFERS (50000 DATA CHANNELS) 500 Readout memories EVENT BUILDER. A large switching 500 Gigabit/s Networks network t k (512+512 ports) t ) with ith a ttotal t l th throughput h t off approximately 500 Gbit/s forms the interconnection between the sources (Readout Dual Port Memory) and the destinations (switch to Farm Interface). The Event Manager collects the status and request of event filters and distributes event building commands (read/clear) to RDPMs HLT (High Level Trigger) entworfen für ca. 100Hz 5 TeraIPS - Unterdrückung Faktor 1000 EVENT FILTER. It consists of a set of high performance commercial processors organized into many farms convenient for on-line and off-line applications. The farm architecture is such that a single CPU processes one event ~2000 CPUs Gigabit/s SERVICE LAN Computing services Petabyte ARCHIVE 88 Trigger & DAQ Große Anstrengungen wurden in den letzten Jahren unternommen um die Datennahme zu validieren. Mit Hilfe von Prototypen und Emulatoren. 1:8 Datannahmesystem an P5 des CMS Experimentes 89 Von Physik zu Rohdaten • Rohdatenrate in ATLAS/CMS beträgt ca. 400MB/s • ZZ.B. B Nummer eines Detektors Detektors, dessen ADC (Analog to Digital) eine Signalwert X 90 Von Rohdaten zur Physik • Auch der Weg von den Rohsaten zur Physik muss verstanden sein! – Rekonstruktion+ Analyse der Ereignisse 91 Ausblick 92 Acknowledgements • • • • • • • • Christian Ch i ti Joram J P ti l D Particle Detectors; t t L t Lectures f Postgraduates for P t d t Students St d t and d Summer Students, CERN 1998, 2003, 2005 Sascha Schmeling High Schools Teachers Program CERN 2003-2006 Michael Hausschild Detectors; Doktoranden Herbstschule Maria Laach Thomas Müller: Teilchenphysik Vorlesung Uni Karlsruhe Freunde & Bekannte & Collaborators M. Titov (VCI 2007) : New Developments and Future Perspectives of Gaseous Detectors Peter Križan (VCI 2007) Detectors for Particle Identification http://www-ekp.physik.unikarlsruhe.de/~hartmann/CMS_Status_Seminar_Bonn1207.ppt 93 Backup 94 Zusammenfassung 95 Die historischen Teilchenstrahldetektoren Funkenkammer: Elektronischer Detektor Teilchen erzeugen „Ionisationsbrücke“ Position dieser Durchschläge optisch oder durch elektronische l kt i h Methoden M th d ermittelt Versagen bei zu vielen gleichzeitig ankommenden Teilchen 96 Final front end hybrids 4-layer Kapton substrate (flex) laminated onto ceramic 4 or 6 APV25 readout chips radiation hard commercial 0 0.25 25 m CMOS technology 128 strips per APV, multiplexed to one analog output per channel: pre-amplifier, CR-RC shaper, 4.8 s pipeline Detector Control Unit (DCU) 12-bit ADC 8 channels: - hybrid and sensor temperatures - leakage current - low voltages 2:1 multiplexer 2 APVs multiplexed t one readout to d t channel h l PLL chip decodes clock & trigger signals Analog & optical readout! 97 Resistive Plate Chambers (RPC) • There are also gaseous detectors without wires – – two resistive p plates ((~109 cm)) with a small ggas gap g p ((2 mm)) and large g high g voltage g (12 kV) on outside electrodes strong E-field: operation in “streamer mode” • • • • gas avalance already starting in gas gap (no wires involved) developing of “streamers” (blob with lots of charge, almost like a spark) signal on external read-out strips via influence (segmented for position resolution) streamer/discharge is “self-quenching”: self-quenching : stops when near-by resistive electrodes are locally discharged (E-field breaks down) d t readout strips resistive electrode Advantages: simple device, good to cover large areas, VERY fast!!! H V clusters gas E ga p resistive electrode readout strips Bakelite, glass 2 mm used as trigger devices in LHC experiments, experiments time resolution ~ 50 – 100 ps GN D Disadvantages: Choice of resistive material + surface f quality lit crucial, i l affects “dark” trigger rate 98 Elastic Scattering • Most basic interaction of a charged particle in matter Hans Geiger E Ernest t Rutherford R th =f d UK Science Museum elastic scattering with a nucleus Rutherford (Coulomb) scattering – d d = 4 zZr 2 e mec p 2 1 s in 4 /2 • Approximations • • UK Sciience Museum z non-relativistic no spins • Scattering angle and energy transfer to nucleus usually small • • No (significant) energy loss of the incoming particle Just change of particle direction 99 Transition Radiation • Predicted by Ginzburg and Franck in 1946 – – emission of photons when a charged particle traverses through the boundary of two media with different refractive index vacuu mediu (very) simple picture m m • • • charged particle is polarizing medium polarized medium is left behind when electro particle p leaves media and enters n unpolarized vacuum W formation of an electrical dipol with (transition) radiation • Radiated energy per boundary – Simulated emission spectrum only very high energetic particles can radiate significant energy of a CH foil stack • need about > 1000 – in our present energy range reachable 1 N with ≈ photons EM 137 radiate need many boundaries foam) – but probability to emit(foils, photons still small to get a few photons 2 photon energy maximum i X-ray in X region i (8 k keV) V) accelerators only electrons can 100 101
