CERN

Teilchendetektoren
Teilchenidentifikation
Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien
Themen
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Was ist Teilchenidentifikation ?
Flugzeitmessung
Vielfachenergieverlustmessung
Cherenkov-Detektoren
Übergangsstrahlung
4. TIELCHENIDENTIFIZIERUNG
WAS IST TEILCHENIDENDIFIZIERUNG ?
Bestimmung der Masse ‘stabiler Hadronen: , K, p
in Abhängigkeit vor γL = (1  β 2 )-1/2
Flugzeitmessung
Vielfach-Energieverlustmessung
Cherenkov-Detektoren
Übergangsstrahlungs-Detektoren
Beruht auf Impulsmessung
p=mcßγ, kombiniert mit ß oder
γ Messung
Diese vier Methoden
werden diskutiert
Messung der charakteristischen Lebensdauer (Charm,
Beauty, τ-Lepton)
Typischer Bereich: 10-8 bis 10-13s
Kinematische Methoden
Invariante Masse der Zerfallsprodukte
Fehlende Energie/Impuls
Kalorimetrische Schauerausbreitung
von Elektronen (Photonen) vs. Hadron
4.1 FLUGZEIT- MESSUNG
•
KOMBINIERTE MESSUNG von IMPULS und GESCHWINDIGKEIT
revolutioniert (‘Renaissance’) durch Entwicklung hochauflösender RPCs (‘Timing’ RPCs)
Benötigt werden: σ(Zeit) ~50 ps
Bis jetzt : Szintillationszähler,
Neuerdings…..Timing-RPCs
DETAILS der ‘TIMING’(MULTIGAP)-RPC
Cross section of double-stack MRPC - ALICE TOF
130 mm
active area 70 mm
Detector consists of a
stack of glass plates
Specifications
Flat cable connector
Differential signal sent from
strip to interface card
Double stack
- each stack has 5 gaps
(i.e. 10 gaps in total)
honeycomb panel
(10 mm thick)
PCB with cathode
pickup pads
external glass plates
0.55 mm thick
internal glass plates
(0.4 mm thick)
PCB with
anode pickup pads
Mylar film
(250 micron thick)
5 gas gaps
of 250 micron
M5 nylon screw to hold
fishing-line spacer
connection to bring cathode signal
to central read-out PCB
PCB with cathode
pickup pads
Honeycomb panel
(10 mm thick)
Silicon sealing compound
250 micron gaps with
spacers made of fishing line
Resistive plates ‘off-theshelf’ soda lime glass
400 micron internal glass
550 micron external glass
Resistive coating
5 MW/square
ZEITAUFLÖSUNG und EFFIZIENZ
ALICE Time of Flight 160 m2 160,000 channels better than 100 ps time resolution
Detector : double stack MRPC - 10 gaps of 250 micron
Typical performance
Efficiency [%]
100
95
90
85
ADC bins
80
75
5.6
6.0
6.4
6.8
Applied differential voltage [+- kV]
Resolution (ps)
65
ADC bins
60
55
50
45
40
5.6
6.0
6.4
6.8
pedestal
ADC bins
Applied differential voltage [+- kV]
n.b. Alice detector R&D ended - design frozen
ZEITAUFLÖSUNG
New HPTDC ASIC (25 ps bins)
103
103
s = 64.5 ps
Entries / 25 ps
Entries / 50 ps
CAMAC TDC (50 ps bins)
s = 61.4 ps
102
102
10
10
1
1
-1000
0
Time [ps]
1000
20 m cable : TDC are ‘common
start’ - therefore need cable
delay
Big reduction in
tails - tails related
to length of cable
-1000 -500 0
500 1000
Time [ps]
20 ps time resolution
7 m cable : TDC operates on
a ‘time stamp’ principle
Hohe Zeitauflösung durch kleine Elektrodenabstände,
gute Effizienz durch mehrere Detektor-Einheiten
PHYSIKBEISPIEL:
ANWENDUNG DER FLUGZEITMESSUNG FÜR
VON CHARM ZERFÄLLE
SPEAR: MARKII KOLLABORATION (1976)
, K-IDENTIFIZIERUNG
a) a) bis c) : invariantes Masse Spektrum
für beliebige Massenzuordnung der
Teilchen
b) d) bis f) : gemessene Flugzeit war
statistisch verwendet um
Teilchenmasse zu bestimmen; eine
klare Resonanz ist für den Fall πK
gesehen
c) g) bis i) wie b),für drei-Körper Zerfälle
4.2 VIELFACH – ENERGIEVERLUST(VEV)
MESSUNG
PRINZIP: • Ionisations – Energieverlust ist abhängig βγ
• Wiederholte Messung des Energieverlustes erlauber Bestimmung
von βγ, wenn Impuls bekannt ist
PROBLMATIK (1): pro Zentimeter Gas auf Grund von Landauverteilung und
Gasverstärkungs-Fluktuationen :
Energieverlust hat FBHM ~ 100% 
typischerweise werden 100 bis 200 Messungen benötigt, um
dE/dx mit σ < 5 % zu bestimmen
PROBLEMATIK (2) : notwendige Präzision der VEV- Messung erfordert
hohe Kontrolle der Messfehler
TYPISCHER ANWENDUNGSBEREICH
: begrenzt durch Fermi-Plateau
auf βγ < ~ 100
VIELFACH – ENERGIEVERLUST MESSUNG
- Theorie des Ionisationsverlustes verstanden;
auf Grund des Interesses an VEV Identifikation erweitert durch Einbezug der
Atomnieveaus der Gase
im relativistischen Anstieg
(5 bis 50 GeV/c) sind
Unterschiede im mittleren
dE/dx circa 10%;
signifikante Identifikation
erfordert Genauigkeit von
einigen Prozent
SYSTEMATISCHE EINFLÜSSE AUF
ENERGIEVERLUSTMESSUNG
- UNTERSCHIEDLICHE RÄUMLICHE UND ZEITLICHE PRIMÄRE
LADUNGSVERTEILUNG→RAUMLADUNGSEFFEKTE BEEINFLUSSEN
SIGNALVERSTÄRKUNG
REINHEIT DER ZÄHLGASE: GERINGE(10-6) VERUNREINIGUNGEN
KÖNNEN VERLUST FREIER ELEKTRONEN VERURSACHEN;
4
PROPORTIONALITÄT DER GASVERSTÄRKUNG: FÜR A  10 ,
NICHTLINEARITÄT (‘SATURATION’) DER GASVERSTÄRKUNG; d.h:
PRIMÄRER ENERGIEVERLUST≠ REGESTRIERTES SIGNAL
ABWEICHUNG IN DER GEOMETRIE DER PROPORTIONALKAMMER

A  d 
~   ; α ~ 10
A
 d 
- SYSTEMATISCHE FEHLER IN DER AUSLESEELEKTRONIK (VER- STÄRKUNG,NICHTLINEARITÄTEN)
PROBLMATIK (2) : KORREKTUREN…
KORREKTUREN : müssen auf 1% - Niveau verstanden werden
The Pioneer : PEP4
TPC wurde bei 8.5 atm Gasdruck (80% Ar/20% CH4 ) betrieben
Maximal konnten 185 dE/dx Messungen pro Spur gemacht werden
BEISPIEL:dE/dx IDENTIFIKATION IN ALEPH TPC
•
•
•
Rekonstruierter Energieverlust dE/dx als Funktion des Impulses
Durchgehende Linien geben den mittleren Energieverlust für die
angegebenen Teilchen
Werte normalisiert auf Eins für minimal ionisierende Teichen
Simulated TPC PID separation in the Alice TPC
4.3 CHERENKOV DETEKTOREN FÜR
GESCHWINDIGKEITSMESSUNG
CHERENKOV EFFEKT:
• Elektromagnetische WW: einfallendes geladenes
Teilchen polarisiert Medium  zeitlich veränderliches Dipolmoment,
wenn Teilchengeschwindigkeit υ > c/n ; n(.λ)... Brechungsindex
•
Abstrahlung unter cosθch = 1 /nβ , d.h. eine Messung der
Abstrahlrichtung der Cherenkov Photonen erlaubt eine direkte Messung
von β
Electromagnetic Shower
Cherenkov Effect
Hadronic Shower
CHERENKOV-WINKEL vs β und n
•
•
Cherenkov Winkel in Abhängigkeit der
Teilchengeschwindigkeit β für verschiedenen
Brechungindexe n
Für sehr relativistische Teilchen ( β ~ 1) ist der
entsprechende Winkelbereich sehr klein
CHERENKOV - STRAHLUNG
• CHERENKOV – ENERGIEVERLUST:
ist e.m Effekt → berechenbar
dN(Photons )/dX  2π x Z
2
2
2
2
(1

1/β
n
)dλ
/
λ

dN/dx ~ 1/λ
für n=konst. :
dN/dx=2πα Z2 sin2θCH (1/λ2 – 1/λ1)
• ZAHLENBEISPIEL : λ1 = 400nm ; λ2 = 700nm
dN / dx  4.9 x 102 . sin2 θc [cm-1]
für n = 1.001 βSCH = 0.999
sin2θ CH ~ 2 x 10-3
dN / dx = 2 x 4, 9 x 10 –1 ~ 1 [cm-1]
d.h.: ungefähr ein Photon pro Zentimeter abgestrahlt...
‘SCHWELLEN’ CHERENKOV
•
•
•
•
•
•
• Diskriminierung zwischen zwei Teilchen gleichen Impulses, p,
und verschiedener Massen
m1 < m2 ; β1 > β2
• Brechungsindex so gewählt, daß
β2 ≤ 1/n, β1 > 1/n
• Intensität N
N ~ (1- 1/ β1 2 n2)
für γ >> 1; β2 = 1/n
N ~ c2(m22 γ22-m1 γ12)/p2
• Zahl der Photonen (λ1 = 400 nm; λ2 = 700nm)
• Nγ = 490 ε L [cm] c2 (m22 γ22 –m12 γ12) / p2 ~ L ~ 1/ γ2
• ε … Quanteneffizienz ( typisch 20 bis 30 % )
CHERENKOV - RADIATOREN
MATERIAL
n-1
 (SCHWELLE)
S
0.41 – 0.75
1.22 – 1.37
SZINTILLATOR
0.58
1.29
PLEXIGLAS
0.48
1.36
WASSER
0.33
1.52
AEROGEL
0.025 – 0.075
4.5 – 2.7
4.3x104
34.1
GLAS
CO2
He
3.3x10
5
123
Example of a Threshhold Cherenkov System
(Tasso)
FOKUSIERENDE CHERENKOV
DETEKTOREN
•
•
•
MODERNE CHERENKOV DETEKTOREN MESSEN:
Photonen und deren Abstrahlungsrichtung
 direkte Geschwindigkeitsmessung
PRINZIP : Fokusierung mit sphärischem Spiegel mit Brennweite f
Cherenkov - Kegel in Ring fokussiert
Ringradius R= f. tgθ CH = f (n/γsch) [1-(γsch/γ)2 ] 1 /2

RICH (Ring Imaging Cherenkov):
GESCHWINDIGKEITSAUFLÖSUNG
•
•
•
FUNDAMENTALE BEGRENZUNG:
Chromatische Aberration Δn / n des Brechungsindex im
Cherenkov Radiator
ZUSÄTZLICH:
geometische Fehler der Ortsmässung der Photonen : Δθ
AUFLÖSUNGSVERMÖGEN
Δγ / γ = γ2 β3 n Δθ / (N0L) ½
•
NACHWEIS DER CHERENKOV – PHOTONEN
•
UV-empfindliche MWPCs : Beigabe von Gasen mit geringem
Ionisationspotential
•
Aufdampfen von Photokathoden auf einer Kathodenebene einer
MWPC-Struktur
BEITRÄGE ZUR AUFLÖSUNG
Material
L
n
[cm]
θ cmax
[mrad]
Pthresh (π) [GeV/c]
Pthresh (K) [GeV/c]
σ θemission [mrad]
σ θchromatic [mrad]
σ θpixel
[mrad]
σ θtrack
[mrad]
σ θtotal
n pe
[mrad]
CF4
C4 F10
Aerogel
167
1.005
32
4.4
15.6
85
1.0014
53
2.6
9.3
5
1.03
242
0.6
2.0
0.31
0.42
0.18
0.20
0.58
18.4
0.74
0.81
0.83
0.42
1.45
32.7
0.60
1.61
0.78
0.26
2.00
6.6
Beispiel:
LHCb-Rich
AUSLESE METMODEN FÜR CHERENKOV PHOTONEN
•
•
•
UV-EMPFINDLICHE MWPCs
(DELPHI,…)
MWPC mit UV-empfindlicher Photokathode (CsI auf
Padebene )
(COMPASS, ALICE,..)
UV-empfindliche Photomltiplier mit hoher Ortsauflösung
(geplant für LHC-b…)
Nachweis von UV-Photonen durch Ionisation
organischer Dämpfe
Energy[eV]
9,0
8,5
0,6
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
0,6
transparency cutoff
of fused silica
0,5
Quantum efficiency
5,5
TMAE
TEA
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
0,0
140
150
160
170
180
190
Wavelength [nm]
200
210
220
230
DER PIONIER : DELPHI
Querschnitt durch den Delphi Detektor: bei grossen Winkeln (‘Barrel’) (niedrigere Impulse)
wurden ein Flüssig-Radiator und ein Gas-Radiator verwendet;ebenso bei kleinen Winkeln
(höheren Impulsen)
PRINZIP des ALICE RICH (HMPID)
Auslese mit CsI-Photokathode auf Padebene
(‘Proximity Focusing’)
CsI photocathodes quantum efficiency
Die Herstellung von CsI Photokathoden war lange Zeit ‘Schwarze Magie’,
wurde aber in den letzten Jahren zu einer reproduzierbaren Methode
entwickelt
0.4
PC32 (@STAR)
PC33
PC34
PC35
PC37, PC39
PC38
CsI photocathode QE
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
5.5
6
6.5
7
photon energy [eV]
7.5
8
DER TEUFEL SITZT IM DETAIL …
GROUND PLANE
Photocathode PCBs
split into two multilayer
circuits (SMD connectors for FEE cards)
CsI
gold front
surface (0.4 mm)
nickel barrier layer (7mm)
multilayer
pcb with
metalized
holes
First event recorded through the full FEE chain
GASSIPLEX + ADC + DILOGIC
HMPID: Installed; being commissioned
HMPID (Sept ’06)
34
UV-empfindliche Photomultiplier mit hoher
Ortsauflösung (LHC-b)
FOKUSSIERENDE CHERENKOVS:
DIE ASTRONOMISCHE FRONT
Whipple Observatory
Gute (10-2) Hadronen
Unterdrückung durch Analyse des
Cherenkov-Lichtes ( EM Schauer
sind kollimiert)
ÜBERGANGSSTRAHLUNG (ÜST)
ÜST : elektromagnetische Effekt, wenn ultrarelativistische Teilchen (γ>>1)
durch Grenzfläche zweier Medien mit verschiedener dielektrischer
Konstante (ε1 , ε2) fliegen
ÜST ist ein em Effekt und deshalb (im Prinzip) genau berechenbar
Polarisationsvektor  zeitlich veränderliches Potential A (r,w) 
Strahlung
Charakteristische Länge der Neuverteilung der Ladungen :
Formationslänge
CHARAKTERISISCHE EIGENSCHAFTEN
DER ÜST
ABGESTRAHLTE GESAMTENERGIE (Pro Materialübergang)
W=αγhωP /3π
proportional zu Loretzfaktor γ
ωp … Plasmafrequenz ; ωp2 = 4παNAρ/Ame
ωp (Polyethylen) = 20eV
TEILCHEN muss FORMATIONSLÄNGE durchlaufen, um signifikant zu strahlen
 Interferenz
Formationslänge : in Luft: einige mm (γ abhängig)
Polyethylen : 10-20 μ m
ABGESTRAHLTE PHOTONEN : im Röntgenbereich;
einige keV bis 100 keV
ZAHL der ABGESTRAHLTEN PHOTONEN
<N> ~ W / hνüst ~ O (α) α… Feinstruktur-Konstante
Für meßbaren Effekt … hunderte von Materialübergängen benötigt
WINKELVERTEILUNG w (θ) ~ 1/γ
ÜBERGANGSTRAHLUNG : THEORIE UND
EXPERIMENT
Wie alle elektromagnetischen Effekte : präzise berechenbar (obwohl die
Entwicklung der theoretischen Beschreibung fast 30 Jahre dauerte…)
Theorie wird zur Optimierung von :
Folienmaterial, Foliendicke, Abstrand,…als Funktion des
γ-Bereiches verwendet
ÜBERGANGSTRAHLUNG : OPTIMIERUNG
Im ALLGEMEINEN : ÜST – PHOTONEN und IONISATION werden in
DETEKTOREN überlagert gemessen
( Photonen und Teilchen kollimiert)
ÜST – PHOTON oder
Delta Elektron
OPTIMIERUNG: Folien (Fasern) mit sehr niedrigem Z (Li, PE,..) um Absorption
minimal zu halten; Detektorgas mit hohem Z (Xe), um Photonen-Absorption
relativ zu dE/dx zu optimieren
ATLAS TRT (TRANSITION RADIATION
TRACKER)
AUFGABE: Elektronen identifikation
- bei Nominal-Luminosität (~109 Kollisionen/sec)
- trotz hohen Untergrundes (Neutronen, Photonen..)
LŐSUNG: extrem hohe Granularität des Detektors:
380000 ‘Strohhalme’ :
4 mm Durchmesser Proportional – Röhren gefüllt mit
(Xe/CO2/O2 : 70/20/10)
AUSLESE: Driftzeit-Messung zur verbesserten Ortsauflösung.
Zwei-Schwellen Diskriminatoren erlaubt ‘Cluster’-Auslese
TRT endcap wheels reception
The detector has been constructed, tested
Good quality demonstrated
Integration work at CERN
terminated; installed
ATLAS TRD am LHC:
KONSTRUKTION UND POTENTIAL
e/hadron rejection of ATLAS TRD
One of 72 ATLAS TRD Disks
DER ‘INNER DETECTOR’ des ATLAS EXPERIMENTES
Länges des TRT: 8 m
Durchmesser: 2m
ALICE TRD
AUFGABE :
•Elektronen- Identifikation UND (erstmals)
•Elecktronen trigger (!) in Ionen-Ionen-Kollsionen mit extrem
hoher Teilchenmultiziplität (bis zu ~ 50000 pro Ereignis)
LÖSUNG:
•Spurenvektor
•Extrem hohe Granularität (1.2 x 106 Kanäle)
•Sehr innovative Auslese-Elektronik, gekoppelt an
•Sehr innovativen ‘Tracklet’ - Prozessor
KONSTRUKTION: Modulare
Konstruktion
Radial : 6 Radiator – Kammer Lagen
Gas: Xe (85) : CO2 (15)
Padkammern mit 3cm Drift / Konversions-Volumen
ALICE TRD - Principle
TRD - Signal Generation & Processing
47
ALICE TRD
Transition Radiation Detector (TRD)
•
electron ID in central barrel p>1 GeV/c
•
fast trigger for high momentum particles
(hadrons, electrons)
•
540 detectors ~ 760m2
•
18 super modules
•
length: 7m
•
X/X0 ~ 22 %
•
28 m3 Xe/CO2 (85/15)
•
1.2 million channels
48
Status: partially installed; being commissioned
Particle Identification in ALICE
• ‘stable’ hadrons (π, K, p): 100 MeV/c < p < 5 GeV/c; (π and p with ~ 80 % purity to ~ 60 GeV/c)
• dE/dx in silicon (ITS) and gas (TPC) + time-of-flight (TOF) + Cherenkov (RICH)
• decay topologies (K0, K+, K-, Λ, D)
• K and L decays beyond 10 GeV/c
• leptons (e,μ ), photons, π0
• electrons TRD: p > 1 GeV/c, muons: p > 5 GeV/c, π0 in PHOS: 1 < p < 80 GeV/c
• excellent particle ID up to ~ 50 to 60 GeV/c
49
TEILCHEN IDENTIFIKATION :
ZUSAMMENFASSUNG
METHODEN perfektioniert, um der Geschwindigkeitsbereich 1 γ < 10,000
abzudecken
Manchmal ist die NATUR den Physikern freundlich gesinnt und hat eine Lösung
für alle Fälle vorbereitet….