grah_dpg06

Das Beam-Kalorimeter für den
International Linear Collider
Inhalt:
•Der International Linear Collider
•Der Vorwärtsbereich des LDC
•Anforderungen
•Das Strahlkalorimeter – BeamCal
•Beamstrahlung
•Schnelle Luminositätsmessung
•Strahlparameter Rekonstruktion
•Zusammenfassung
Ch.Grah
DPG-Frühjahrstagung 2006, Dortmund
Der International Linear Collider
(500 GeV)
RTML ~1.6km
~30 km
20mrad
2mrad
ML ~10km (G = 31.5MV/m)
BDS 5km
e+ Undulator @ 150 GeV (~1.2km)
R = 955m
E = 5 GeV
x2
nicht maßstabsgerecht
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Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC
2
ILC Zeitplanung
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Global Design Effort
Projekt
Baseline configuration
Reference Design
Technical Design
ILC R&D Program
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Der Vorwärtsbereich des LDC
 LDC: Large Detector Concept
Nachfolger des TESLA Detektors. Eines von
insgesamt 4 Detektorkonzepten
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Vorwärtsbereich - Aufgaben
neue 20mrad Geometrie (LDC)
LumiCal (26 (43) mrad < θ < 153 mrad)
Nachweis von em ww Teilchen mit niedrigem pT
Messung von Bhahba‘s mit hoher Präzision =>
L
 10  4
Messung der Luminosität mit
L
BeamCal (5.6 mrad < θ < 28 (46) mrad)
Nachweis von em ww Teilchen mit niedrigem pT
Messung und Analyse der Energiedeposition
von e+e—Paaren aus Beamstrahlung
LHCal
„Low angle hadron calorimeter“
PhotoCal (nicht eingezeichnet)
Analyse von Beamstrahlung Photonen
im Bereich von ~100μrad
Minimierung des Untergrundes im
Inneren Detektor (z.B. TPC) durch
Rückstreuung.
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20mrad => Rückstreuung durch Paare, die
das LumiCal treffen, alte Geometrie (K.Büsser)
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Beamstrahlung
e+
e-
„Pinch-Effekt“
e+e- Paare aus Beamstrahlung treffen
das BeamCal.
 15000 e+e- pro BX
=>
10 – 20 TeV
 ~ 10 MGy pro Jahr
 “schnelle” Auslese
=>
O(μs)
Deponierte Energie von Paaren
bei z = +365 (kein B-Feld)
 30 X0 Sandwich Kalorimeter
Absorber: Wolfram
Sensoren: CVD Diamanten (T 604.3)
ca. 15000 Kanäle
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BeamCal: 4 < θ < 28 mrad
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Magnetfeld Konfigurationen
Anpassung der Magnetfeldkonfiguration
bei großen Kreuzungswinkeln.
•Detector Integrated Dipole: Parallel zum
einlaufenden Strahl
•AntiDID: Parallel zum auslaufenden Strahl
20mrad DID
20mrad DID
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20mrad AntiDID
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Schnelle Luminositätsmessung
 Warum benötigen wir ein schnelles Signal von BeamCal?
(Größenordnung von einigen Bunch Crossings je 300ns)
 Wir können signifikant die Luminosität erhöhen!
 z.B. Verwende die Anzahl der Paare, die das BeamCal
treffen im Strahl-Rückkopplungssystem
3
x 10
34
Luminosity / cm-2s-1
Erhöhung von L von mehr als 12% (500GeV)!
2
Position und Winkel Scan
1
G.White QMUL/SLAC
0
0
100
200
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300
Bunch #
400
500
600
Luminositätsentwicklung während der
ersten 600 Packete eines Packetzuges.
Ltotal = L(1-600) + L(550600)*(2820-600)/50
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Beamstrahlung Paar Analyse
 Ziel: Gewinne durch Analyse der Energiedeposition der Paare im
BeamCal Informationen über die Eigenschaften der primären
Strahlkollision.
 Observablen (Beispiele):







Totale Energie
Erstes radiales Moment
Thrust
Winkeldispersion
E(ring ≥ 4) / Etot
E/N
l/r, u/d, f/b Asymmetrien
 Strahl Parameter










σx, σy, σz and Δσx, Δσy, Δσz
xoffset
yoffset
Δx offset
Δy offset
x-Taillenverschiebung
y-Taillenverschiebung
Packet Rotation
N Teilchen/Packet
(Banana shape)
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Detektor: realistische Segmentierung, ideale
Auflösung, Packet-Packet Auflösung
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Analyse Konzept
Strahlparameter
Observablen
• bestimme Kollision
• erzeuge beamstrahlung
• erzeuge e+e- Paare
Taylor-Erw. 1. Ord.
• charakterisiere
Energiedeposition im
Detektor
guinea-pig
(D.Schulte)
+
nom
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Matrix
*
Δ Strahlpar
Observablen
Observablen
=
Taylor
FORTRAN
Analyseprogramm
(A.Stahl)
und/oder
GEANT4
Lösbar durch Matrixinversion
(Moore-Penrose Inversion)
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Observable j [au]
Koeffizienten der Taylor-Matrix
Parametrisierung
(polynomial)
Steigung beim nom. Wert
 Taylor Koeffizient i,j
1 Pkt =
1 bunchcrossing
guinea-pig
Strahlparameter i [au]
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Analyse für nominale ILC Parameter
Parameter
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Präzision
655 nm
2mrad
3.1
5.2
20mrad
2.9
7.4
20mrad (2par)
2.8
7.6
5.7 nm
0.3
0.2
0.2
0.3
0.4
0.4
4.8
8.5
11.1
3.7
6.3
7.4
εy
40x10-9mrad
1.7
2.9
5.2
 εy
x
y
0
4.2
4.1
4.7
17.7
9.3
10
0
0.5
0.6
0.6
N
2x1010
0.01
0.01
0.01
N
0
0.01
0.02
0.03
sx
sx
sy
sy
sz
sz
ILCNOM,
20mrad DID
Nominaler
Wert
300 mm
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...
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BeamCal Geant4 Simulation
 Benötigen präzise Simulation für Schauer/realistisches
Magnetfeld. Beinhaltet:





(A.Sapronov)
Flexible Geometrien (Kreuzungswinkel, Dicke der Lagen,
variable Segmentierung)
vereinfachtes DiD/antiDiD Magnetfeld +
realistisches Magnetfeld (Datei)
Eingabe – GP generierte e+e- Paare
Ausgabe – Root Tree mit Energiedepositionen in Segmenten
1 BX ~ 400min @ 3.2 GHz CPU
Schauervisualisierung
Energie/Lage
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20mrad DID
20mrad AntiDID
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Zusammenfassung und Ausblick
 Die Vorwärtsregion erfüllt wichtige Aufgaben am ILC.
 BeamCal im besonderen:
 Intratrain-Rückkopplung des BeamCal-Signals kann die totale
Luminosität signifkant erhöhen.
 Eine schnelle Diagnose der Energiedeposition zur
Rekonstruktion von Strahlparametern ist möglich.
 Analyse ist möglich für verschiedene
Kreuzungswinkel/Magnetfeldkonfigurationen und ergibt eine
interessante Präzision.
 Eine detaillierte G4 Simulation ist in der Testphase und wird
in der Strahlparameterrekonstruktion verwendet werden.
 Untersuchung der Korrelationen, insbesondere zur
Photonverteilung.
 Minimierung der notwendigen Informationen vom
BeamCal zur Vereinfachung der Auslese.
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