Das CMS-Experiment

Hauptseminar “Experimentelle Teilchenphysik
und Kosmologie”: Das CMS-Experiment
Thiansin Liamsuwan
16.12.2005
1
Das CMS-Experiment
CMS steht für “Compact Muon Solenoid”. Es ist eines der vier Experimente am
LHC-Beschleuniger. Im LHC-Beschleuniger, der in 2006 hochgefahren wird, werden Protonen bei der Schwerpunktenergie von 14 TeV und der Luminosität bis
zu 1034 cm−2 s−1 miteinander kollidieren. Die Protonenbeams kollidieren mit der
Häufigkeit von 40 MHz, also eine Beamkollision pro 25 ns. Pro Beamkollision
werden 25 Protonen kollidieren. Die hohe Luminosität ist wichtig für den Nachweis vieler Prozesse, die sich nur bei hohen Datenraten vom Untergrund trennen
lassen.
CMS wird mit einem Magnetfeld von 4 T betrieben, damit die hohe Impulsauflösung erreicht wird. Dies kann man einfach durch die Lorentzkraft von
p⊥
folgt, dass bei höherem
geladenen Teilchen im Magnetfeld erklären. Aus R = qB
Magnetfeld die geladenen Teilchen mit hohem Impuls stärker gekrümmt werden
als bei niedrigem Magnetfeld. Dies gilt für einen Detektor, damit die Impulse der
Teilchen noch genauer gemessen werden können.
Aufgrund des sehr hohen Magnetfeldes, der hohen Luminosität und sehr hoher
Datennraten des LHC’s muss das CMS speziell konzipiert werden.
1.1
Ziel des CMS-Experiments
Die Hauptziele des CMS-Experiments sind die Untersuchung der Higgs-Physik
und der Supersymmetrie. Die folgenden Voraussetzungen gelten für die CMSDetektoren:
• Sehr gutes Myonensystem zum Nachweis und zur Rekonstruktion des goldenen Kanals des Higgs-Teilchens, in dem das Higgs-Teilchen in 4 Myonen
zerfällt.
• Möglichst gutes elektromagnetisches Kalorimeter, sodass die Photonen aus
dem Zerfall der Higgs-Teilchen präzise nachgewiesen bzw. sehr gut vom
Untergrund getrennt werden können.
1
• Spurkammer mit der besten Qualität, damit b-Jets rekonstuiert werden
können.
• Vollständige Abdeckung des Hadronkalorimeters zur Bestimmung der fehlenden Tranversalenergie. Die fehlende Tranversalenergie kann eine Signatur
von neuen Teilchen, wie z.B SUSY-Teilchen, sein.
2
Der CMS-Detektor
Abbildung 1: Sektor des CMS-Detektors
Der CMS-Detektor ist zylindersymmetrisch. Er ist 12500 t schwer, hat einen
Durchmesser von 15 m und eine Länge von 21,5 m. Der Detektor wird mit einem
Magnetfeld von 4 T durch die supraleitende Induktionsspule betrieben. In der
Mitte des Detektors ist das Kollisionszentrum.
Die erste Detektorschicht ist der Spurdetektor, der sich noch beim fast homogenen Magnetfeld von 4 T befindet. Er ist sehr wichtig für die Spurrekonstruktion
geladener Teilchen.
Die nächste Schicht ist das elektromagnetische Kalorimeter (abgekürzt: ECAL),
das die Photonen, Elektronen und Positronen nachweist und die Energie diser
Teilchen durch elektromagnetische Schauer misst.
Das Hadronkalorimeter (oder HCAL), das neben der äußersten Schicht des
ECAL’s liegt, wird für die Identifikation der Quarks, Gluonen und Neutrinos
2
durch Energiemessung, Jet-Richtungen und Messung der fehlenden Energie verwendet. Aller Detektoren bis auf das Myonensystem befinden sich innerhalb der
Magnetspule. Im Myonensystem wird das Magnetfeld durch Eisenschichten induziert. Deswegen kann das Myonensystem nicht nur Myonen nachweisen, sondern
auch ihre Impulse bestimmen.
Bevor man die einzelnen Detektorteile betrachtet, sollte man zuerst zwei
Kenngrößen, die in der Detektorphysik verwendet werden, kennenlernen, nämlich:
• Die Pseudorapidität (η): η = − ln(tan 2θ )
Dabei ist θ der Polarwinkel bezüglich der Beamrichtung. Senkrecht zur Beamrichtung ist η = 0 und in der Beamrichtung geht η gegen ∞.
• Der Tranversalimpuls (pT ) ist der Betrag des Impulses, der senkrecht zur
Beamrichtung steht.
q D.h. wenn die Beamrichtung in der Z-Komponente ist,
dann folgt: pT = p2x + p2y
2.1
Der Spurdetektor
Der Spurdetektor ist verantwortlich für die Spurrekonstuktion von Myonen, isolierten Elektronen und geladenen Hadronen. Er braucht deswegen eine sehr hohe
Impulsauflösung, die bei |η| ≤ 2, 5 und pT > 10 GeV /c besser als 98 % sein soll.
Der Spurdetektor besteht aus zwei Arten von Detektoren, nämlich die SiStreifendetektoren und die Si-Pixeldetektoren. Da der Spurdetektor sehr nah
zum Kollisionszentrum liegt, muss er außerdem die sehr hohe Strahlung während des Betriebs von 10 Jahren durchhalten. Durch die Untersuchung findet
man, dass der Siliziumdetektor bei sehr tiefer Betriebstemperatur und sehr hoher
Verarmungsspannung diese Bedingung erfüllen kann. Aus diesem Grund wird der
Spurdetektor bei der Temperatur von -10 ◦ C betrieben.
2.1.1
Si-Streifendetektor
Die ionisierten Teilchen induzieren Elektronen-Loch-Paare in Silizium. Ein minimal ionisierendes Teilchen (MIP) erzeugt schon etwa 2 · 104 Elektron-Loch-Paare
in Silizium. Um die durch die Teilchenspuren erzeugten Ladungsträger nachzuweisen, werden die Streifendetektoren in Sperrrichtung mit vollständiger Verarmungsspannung betrieben. Dadurch wird die Verarmung auf das ganze Volumen
ausgedehnt und die freien Ladungen im Halbleiter werden aus dem Detektor entfernt.
Die Elektronen, die von einer Teilchenspur in der verarmten Zone erzeugt
werden, driften im Feld zur Anode (n-dotiert), die Löcher hingegen zur Kathode
(p-dotiert). In Streifendetektoren werden Löcher detektiert. Die Ausleseelektronik
wird durch Aluminiumkontakt mit den Streifen verbunden.
3
Abbildung 2: Streifendetektor
Ein Streifendetektor wie in der Abbildung 2 kann nur eine eindimensionale Spur nachweisen. Die doppeltseitige Streifendetektoren ermöglichen die Messung der zweiten Koordinate. Dies ist jedoch nicht eindeutig, wenn mehr als eine
Spur von dem Modul registriert werden. Im CMS-Detektor besteht die kleinste
Abbildung 3: Das Modul der Si-Streifendetektoren
Baugruppe (Siehe Abbildung 3), oder das Modul, der Streifendetektoren aus SiStreifendetektoren, Elektronikhybrid und Kohlenfaser-Schiene, die sowohl für die
Festigkeit des Moduls als auch für das Einlegen des Kühlrohrs wichtig ist.
2.1.2
Si-Pixeldetektor
Der Si-Pixeldetektor besteht aus vielen kleinen Stücken von Streifendetektoren,
die in beiden Richtungen segmentiert werden. Er hat Vorteile gegenüber dem
Streifendetektor, dass die Daten aus den einzelnen Pixels ausgelesen werden, und
4
Abbildung 4: Pixeldetektor
dass die Spure sich in zwei Dimensionen rekonstruiert werden können. Im inneren
Bereich des CMS-Detektors sind die langsamen geladenen Teilchen durch das hohe Magnetfeld sehr stark gekrümmt, deswegen ist die Intensität der registrierten
Ereignisse in diesem Bereich sehr hoch. Aufgrund der sehr hohen Kosten und hohen Datenmengen werden die Pixeldetektoren nur im innersten Bereich des CMS
eingesetzt und spielen eine sehr wichtige Rolle in der Identifikation der b-Quarks.
Ein Pixel hat eine Abmessung von 150x150 µm2 . Das Pixel wird mit der
Auslesenelektronik durch kleine Metallkugeln (”Bump Bonding”) verbunden.
Abbildung 5: Lorentz-Winkel
Im Magnetfeld werden die geladenen Teilchen abgelenkt. Der Winkel zwischen
der unabgelenkten und der abgelenkten Bahn entspricht dem Lorentzwinkel (θL ).
Er ist definiert durch:
vx
θL = arctan
= arctan (µH By )
vz
Dabei ist µH die Hall-Mobilität.
Im Magnetfeld von 4 T ist der Lorentzwinkel der Elekronen gleich 34◦ , ca. 3
Mal so groß wie der Lorentzwinkel der Löcher. Da möglichst wenig Signale auf
5
einem Pixel gewünscht sind, detektiert der Pixeldetektor Elektronen statt Löcher
wie die normalen Halbleiterdetektoren. Die nicht-vollständig verarmte Zone des
Halbleiters ist aufgrund der starken Strahlung eingetreten.
2.2
Das elektromagnetische Kalorimeter
Im elektromagnetischen Kalorimeter (ECAL) werden die Zerfälle des Higgs-Teilchens
mit 100 < MH < 140 GeV in zwei Photonen erwartet. Zu diesem Zweck braucht
man ein Kalorimeter, das Energien und Richtungen der Elektronen und Photonen sehr gut messen kann. Wegen der sehr hohen Luminosität in LHC bzw.
des begrenzten Platzes innerhalb der Magnetspule muss das ECAL schnell bzw.
kompakt sein.
Für die Energiemessung im ECAL werden Kristallszintillatoren aus Bleiwolframat (P bW O4 ) gewählt. Das Licht, das im Szintillator erzeugt wird, wird durch
einen Lichtleiter zum Photodetektor abgeführt. In CMS wird die Si-Lawinenphotodiode
als Photodetektor gewählt, der das Licht durch Erzeugung der Elektronenlawinen
in ein elektrisches Signal umwandelt.
Außerdem muss der Untergrund der Photonen aus π 0 -Zerfall auch separiert
werden. Zwei Photonen aus dem Zerfall eines hochenergetischen π0 aus der p-pKollision gehen in Richtung der Endkappen. Diese Photonen sind eng zueinander
gewinkelt. Deswegen kann der normale Detektor nicht entscheiden, ob es sich
um ein isoliertes Photon oder zwei Photonen aus π0 -Zerfall handelt. Aus diesem
Grund wird der Preshower-Detektor im Endkappenbereich eingesetzt, der aus
Blei-Absortionsschichten und Si-Streifendetektoren besteht.
Die letzte Voraussetzung des ECAL’s ist, dass die Pseudorapidität in großem
Bereich abgedeckt werden muss. Dies ist wichtig für den Nachweis der Myonen
aus dem Zerfall des Higgs-Teilchens.
Kristallszintillator
In der Materie verlieren die Elektronen Energie durch Ionisationsverlust, Stöße
und Bremsstrahlung. Die Photonen geben Energie durch Photoeffekt, Comptoneffekt und e− −e+ −Paarerzeugung ab. Der dominante Prozess für hochenergetische
Elektronen bzw. Photonen sind die Bremsstrahlung bzw. Paarerzeugung.
Durch die Bremsstrahlung der Elektronen und die Paarerzeugung der Photonen werden weitere Photonen und Elektronen erzeugt. Die Anzahl der Elektronen
und Photonen vergrößert sich nach jeder Wechselwirkung exponentiell. Dadurch
entstehen die elektromagnetischen Schauer aus Photonen und Elektronen (Abbildung 6). Die Energie der Elektronen und Photonen wird mittels Lichts eines
szintillierenden Kristalls gemessen.
Das Funktionsprinzip eines Szintillationskristalls kann durch das Bandschema
beschrieben werden (Siehe Abbildung 7). Direkt unterhalb des Leitungsbands
liegt das Exzitonband. In dem Exzitonband befinden sich Elektronen, die nicht
6
Abbildung 6: Elektromagnetischer Schauer
energetisch genug sind, um sich von den zugehörigen Löchern zu trennen. Dieser
Zustand von Elektron-Loch-Paar wird als “Exziton” bezeichnet. Das Exziton kann
sich im Kristall frei bewegen.
Bringt man in den Kristall Fremdatome, sogenannte Aktivatorzentren, ein, so
generieren diese die Energieniveaus in der Bandlücke. Durch Energieabsorption
im Szintillationskristall wird das Elektron im Exzitonband angeregt und wandert
im Kristall bis zum Einfang durch ein Aktivatorzentrum. Das Elektron gibt dabei
die Energie an dem Aktivatorzentrum ab, und fällt zurück zum Valenzband. Vom
angeregten Aktivatorzentrum wird bei der abschließenden Abregung sichtbares
Licht emittiert, dessen Intensität proportional zur Energie des Primärteilchens
oder des Primärphotons ist.
Im CMS, wie schon erwähnt, wird ein Szintillationskristall aus P bW O4 verwendet, der für einen schnellen und kompakten Detektor geeignet ist. P bW O4 ist
ein sehr schnelles Szintillationsmaterial, hat sehr hohe Dichte, kurze Strahlungslänge, kleinen Moliere-Radius und sehr hohe Strahlungsfestigkeit.
Die Strahlungslänge ist die mittlere Länge, innerhalb derer die Energie eines Elektrons oder eines Photons durch Strahlungsverlust auf den Wert 1e · E0
abgebremst wird.
Der Moliere-Radius (RM ), der die Breite der elektromagnetischen Schauer
charakterisiert (99% der Energiedeposition findet innerhalb RM statt), ist definiert durch: RM = X0 21,2EMc eV , wobei Ec die kritische Energie ist, unterhalb derer
die Elektronen ihre Energie durch Ionisationsverlust und Stöße verlieren.
2.3
Das Hadronkalorimeter
Das Hadronkalorimeter (HCAL) ist sehr wichtig für die Identifikation von Quarks,
Gluons und Neutrinos. Im Hadronkalorimeter werden die Richtung und die Ener-
7
Abbildung 7: Prinzip der Szintillation
gie der Jets sowie die verlorene Transversalenergie gemessen. Da die verlorene
Energie möglichst genau gemessen werden soll, wird das HCAL eine sehr große
Pseudorapidität bis zu |η| = 5 abdecken. Außerdem soll das HCAL dick dick sein,
damit nur Myonen im Myonensystem identifiziert werden.
HCAL besteht aus zwei Halbzylinderkalorimeter (HB), zwei Endkappenkalorimeter (HE), die sich innerhalb der Magnetspule befinden, und zwei ForwardKalorimeter (HF), die außerhalb des Myonensystems in Richtung der Beams
eingerichtet sind. Das Forward-Kalorimeter ermöglicht die Pseudorapiditätsabdeckung bis zu |η| = 5. Da das Zylinderkalorimeter innnerhalb der Magnetspule
nicht dick genug ist, um alle Hadronen aus Jets zu filtieren, wird noch eine Szintillationsschicht (HOB) außerhalb des Magnetfeldes verwendet.
Das Zylinder- und Endkappenkalorimeter bestehen aus “Sandwiches” von 50
mm dickem Absorber und 4 mm dickem Plastikszintillator. Als Absorber wird
Kupfer gewählt, da es eine sehr hohe Dichte besitzt und gleichzeitig auch nichtmagnetisch ist. Außerdem hat Kupfer eine kleine Absorptionslänge (λa ). Sie ist
definiert durch die mittlere Länge, innerhalb derer die Anzahl derx Teilchen mit
dem Faktor 1e das Material durchdringen kann, also N (x) = N0 e− λa .
Innerhalb der Absorberplatten werden hadronische Schauer erzeugt. Diese
entstehen durch inelastische Streuung der Hadronen an der Kernmaterie. Die
enstehenden Teilchen sind im allgemeinen hochenergetische Mesonen, Baryonen
und niederenergetische Kernspaltungen. Aus den hadronischen Schauern werden
im Szintillator die elektromagnetischen Schauer entwickelt.
Das blaue Licht (λ = 410-425 nm) aus den Szintillationsplatten, das isotrop
in aller Richtungen geht, wird durch den Wellenlängenschieber absorbiert und
ins grüne Licht (λ = 490 nm) emittiert (Siehe Abbildung 9), sodass ca. 3% des
gesamten Lichts die Lichtfaser (Lichtleiter) durchläuft. Das Licht in der Lichtfaser
8
Abbildung 8: Das Hadronkalorimeter
Abbildung 9: Wellenlängenschieber
wird durch eine Hybridphotodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Wegen der sehr hohen Strahlung in Beamrichtung, werden Stahlabsorber,
statt Kupferabsorber, in den Forwardkalorimetern eingesetzt. Die Wellenlängenschieber können hier auch nicht verwendet werden. Stattdessen werden szintillierende Quarzfasern benutzt. Licht aus den szintillierenden Quarzfasern wird duch
konventionelle Photomultiplier in ein elektrisches Signal umgewandelt.
2.4
Das Myonensystem
Im Myonensystem werden die Myonen identifiziert. Ihre Impulse werden gleichzeitig auch präzise gemessen. Das Myonensystem befindet sich außerhalb der Magnetspule. Es besteht aus Myonenkammern, die mit Eisenabschirmung verschachtelt sind. Eisen dient als Hadronenabschirmung. Die Dicke von Eisen sichert die
Myonenidentifikation, da nur Myonen und Neutrinos den Eisen-Absorber durch9
Abbildung 10: Sektor des Myonensystemen
dringen können. Außerdem ist das Magnetfeld außerhalb der Magnetspule in
der Eisenabschirmung am stärksten. Myonen werden in diesem Magnetfeld gekrümmt, sodass ihre Impulse, außer in der Spurkammer, auch im Myonensystem
gemessen werden können.
Es gibt drei verschiedene Myonenkammern im CMS: die Driftkammern im
Zentralzylindrischen Bereich, die Kathodenstreifenkammern im Endkappenbereich und die “Resistive Parallel”- Plattenkammern sowohl im zylindrischen Bereich als auch im Endkappenbereich. In diesem Vortrag werden nur die Driftkammer und die Kathodenstreifenkammer behandelt.
2.4.1
Die Driftkammer
In der Driftkammer gibt es Anodendrähte, die im Abstand von 4 cm voneinander
angeordnet sind. Jede Kammer ist mit Ar − CO2 -Gasmischung gefüllt. Die Kammern sind wie in der Abbildung 11 angeordnet. Wenn ein ionisierendes Teilchen
die Kammer durchquert, verursacht es Primärionisation. Dabei entstehen Primärelektronen, die zum Anodendraht mit der Driftgeschwindigkeit driften. Die Primärelektronen lösen eine Elektronenlawine in der Nähe des Anodendrahtes aus,
die als elektrisches Signal getriggert wird. Die Zeit von der Ionisation bis zum
Auftreffen am Anodendraht wird mit der Genauigkeit von ±1 ns gemessen. Der
Abstand des eintretenden Teilchens zum Draht wird mithilfe die bekannte Driftgeschwindigkeit der Elektronen in der Gasmischung bestimmt, also s = vdrif t · ∆t.
10
Abbildung 11: Funktionsprinzip der Driftkammer
2.4.2
Die Kathodenstreifenkammer
Abbildung 12: Funktionsprinzip der Kathodenstreifenkammer
Die Kathodenstreifenkammer befindet sich im Endkappenbereich, wo das Magnetfeld noch sehr stark ist. Die Kathodenstreifenkammer besteht aus vielfachen
Anodendrähten und Kathodenstreifenplatten, deren Streifen senkrecht zu den
Drähten liegen. Die Kammer ist mit der Ar − CO2 − CF4 -Gasmischung gefüllt.
Die Kathodenstreifenkammer ermöglicht die zweidimensionale Ortsmessung
in r- und φ-Richtung. Die ionisierten Elektronen driften zu einem Anodendraht,
und die positiven Ionen driften zu einem Kathodenstreifen. Das Anodensignal beschreibt die radiale Komponente, die Kathodenstreifen die azimutale Komponente. Für sehr hohe Zählraten wird der Abstand zwischen den Drähten optimiert.
Im CMS besteht ein Modul der Kathodenstreifenkammer aus 6 Schichten von
Anodendrähten und Kathodenstreifenplatten.
3
Higgs-Physik in CMS
Im CMS möchte man viel neue Physik untersuchen, unter anderem auch die
Higgs-Physik. Die Kanäle der Higgs-Zerfälle, die beim CMS-Experiment erwartet
11
werden, sind:
• MH = 80-140 GeV: H0 → γγ
Für diesen Kanal ist das ECAL sehr wichtig. Die γγ-Massenauflösung bei
Mγγ ∼ 100 GeV ist besser als 1%.
• H0 → ZZ ∗ → 2l+ 2l− oder H0 → ZZ → 2l+ 2l−
Aus diesem Kanal wird der Higgs-Zerfall in 4 Myonen besonders erwartet.
Durch die Verbesserung des Myonensystems sollen die Myonen sehr gut
identifiziert werden können. Die Massen und die Impulse der Myonen sollen mithilfe des Spurdetektors, des ECAL’s, des Myonensystems und des
starken Magnetfeldes im CMS möglichst präzise bestimmt werden.
• MH = 0.5 - 1 TeV:
– H0 → ZZ → l+ l− νν
12
– H0 → ZZ → l+ l− jj
– H0 → W + W − → l± νjj
Die Identifikation dieser Kanäle hängt von der Genauigkeit der Energiemessung von Jets, Leptonen und der Messung der verlorenen Energie ab. D.h.
das HCAL ist für diese Kanäle sehr wichtig.
13