Die Experimente - Teilchenphysik
Werbung
Lehrerfortbildung „Weltmaschine” Magnus-Haus, Berlin, 14. November 2008 Large Hadron Collider: Die Experimente Ulrich Husemann Deutsches Elektronen-Synchrotron Physik am Large Hadron Collider Wichtige Fragestellungen am LHC (vlg. Vortrag von Michael Kobel): Woher kommt die Masse? → Higgs-Teilchen? Was ist dunkle Materie? → Supersymmetrie? Peter Higgs Warum ist die Gravitation so schwach? → Extra-Dimensionen? In jedem Fall: Erzeugung und Nachweis neuer Elementarteilchen Dunkle Materie „Normale” Materie LHC: neue Generation von Nachweisgeräten („Detektoren”) Riesige Ausmaße aber höchste Präzision Dunkle Energie Höchste Kollisionsraten Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente Energiedichte im Universum 2 Warum immer höhere Energien? Grundpfeiler der Teilchenphysik: Spezielle Relativitätstheorie (A. Einstein) Quantenmechanik (E. Schrödinger, W. Heisenberg, …) Relativitätstheorie: E = mc 2 A. Einstein W. Heisenberg Masse ist eine Form von Energie Kollisionen von Elementarteilchen mit hoher Energie → Produktion neuer schwerer Teilchen ! Quantenmechanik: ∆x · ∆p ≥ 2 Heisenberg’sche Unschärferelation: Ort (Δx) und Impuls (Δp) nicht gleichzeitig beliebig genau bekannt Größerer Impulsübertrag → Auflösung kleinerer Strukturen Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 3 Größenordnungen ( Länge Energie Nachweisgeräte 200 neV 200 eV Lichtmikroskop 2 keV Elektronenmikroskop 20 MeV 1 eV („Elektronenvolt”) = 1,6 · 10–16 J Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es durch eine Spannung von 1 V beschleunigt wird 200 MeV (1 Femtometer) >200 GeV (1 Attometer) [DESY] Teilchenbeschleuniger Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 4 Anforderungen an die Detektoren H → ZZ → e+e– µ+µ– Vollständige Charakterisierung der Kollision: Ort, Impuls, Energie, Art aller Teilchen → verschiedene Detektortypen, zwiebelschalenartig um Kollisionspunkt Neue Teilchen zerfallen sehr schnell Nachweis von Zerfallsprodukten: geladene Leptonen (e,µ,τ), Photonen, Pionen, Protonen, Neutronen, Neutrinos Keine freien Quarks → Nachweis als Jets = Bündel von Teilchen Nachweis aller Zerfallsprodukte → möglichst hermetischer Detektor Neue Teilchen werden selten erzeugt → hohe Kollisionsraten → schnelle Auslese Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 5 Anforderungen an die Detektoren H → ZZ → e+e– µ+µ– Vollständige Charakterisierung der Kollision: Ort, Impuls, Energie, Art aller Teilchen → verschiedene Detektortypen, zwiebelschalenartig um Kollisionspunkt Neue Teilchen zerfallen sehr schnell Nachweis von Zerfallsprodukten: geladene Leptonen (e,µ,τ), Photonen, Pionen, Protonen, Neutronen, Neutrinos Keine freien Quarks → Nachweis als Jets = Bündel von Teilchen Nachweis aller Zerfallsprodukte → möglichst hermetischer Detektor Neue Teilchen werden selten erzeugt → hohe Kollisionsraten → schnelle Auslese Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 5 Teilchennachweis Impulsmessung Spurdetektor Zerfallsprodukte der Kollision („Tracking”) Energiemessung Kalorimeter elektromagnetisch Teilchenidentifikation Myondetektor hadronisch Photon Elektron/Positron Myon Neutrino Neutron Pion, Proton „Innen” „Außen” Flash-Animation: Teilchen in CMS Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 6 Die LHC-Experimente im Überblick LHC – der Large Hadron Collider 8,5 km Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 8 LHC – der Large Hadron Collider LHC-Beschleuniger: Proton-Proton- und Blei-Blei-Kollisionen (vgl. Vortrag Verena Kain) 8,5 km Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 8 LHC – der Large Hadron Collider LHC-Beschleuniger: Proton-Proton- und Blei-Blei-Kollisionen (vgl. Vortrag Verena Kain) CMS-Experiment: Vielzweckexperiment 8,5 km ATLAS-Experiment: Vielzweckexperiment Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 8 LHC – der Large Hadron Collider LHC-Beschleuniger: Proton-Proton- und Blei-Blei-Kollisionen (vgl. Vortrag Verena Kain) CMS-Experiment: Vielzweckexperiment LHCb-Experiment: Symmetrie Materie/Antimaterie 8,5 km ALICE-Experiment: Schwerionen & „Ursuppe” ATLAS-Experiment: Vielzweckexperiment Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 8 ATLAS ATLAS-Fakten: 45 m lang, 25 m hoch Gewicht: 7.000 Tonnen 100 Millionen Elektronikkanäle Mitarbeiter: ca. 2500 Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 9 ATLAS Spurdetektoren ATLAS-Fakten: 45 m lang, 25 m hoch Gewicht: 7.000 Tonnen 100 Millionen Elektronikkanäle Mitarbeiter: ca. 2500 Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 9 ATLAS Kalorimeter Spurdetektoren ATLAS-Fakten: 45 m lang, 25 m hoch Gewicht: 7.000 Tonnen 100 Millionen Elektronikkanäle Mitarbeiter: ca. 2500 Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 9 ATLAS Myon-Detektor Kalorimeter Spurdetektoren ATLAS-Fakten: 45 m lang, 25 m hoch Gewicht: 7.000 Tonnen 100 Millionen Elektronikkanäle Mitarbeiter: ca. 2500 Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 9 CMS – Compact Muon Solenoid Myon-Detektor CMS-Fakten: 21 m lang, 15 m hoch Gewicht: 12.500 Tonnen 80 Millionen Elektronikkanäle Mitarbeiter: ca. 2500 Kalorimeter Spurdetektoren Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 10 ALICE – Schwerionen & Ursuppe ALICE-Fakten: 26 m lang, 16 m hoch Gewicht: 10.000 Tonnen 18 Millionen Elektronikkanäle Kalorimeter Myon-Detektor Spurdetektoren Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 11 LHCb – Symmetrie Materie/Antimaterie Kalorimeter LHCb-Fakten: 21 m lang, 10 m hoch Gewicht: 5.600 Tonnen Aufbau: Spektrometer Spurdetektoren Myon-Detektor Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 12 Wechselwirkungen von Teilchen in Materie Photonen in Materie Photoelektrischer Effekt: Photon schlägt Elektron aus Atomhülle, Photon wird absorbiert (kleine Energien) Photoeffekt A. Einstein Compton-Effekt: Photon schlägt Elektron aus Atomhülle, ändert Wellenlänge (mittlere Energien) Compton-Effekt A.H. Compton Paarproduktion von Elektronen und Positronen: Photon erzeugt e+e– im Kernfeld (hohe Energien, > 10 MeV) Paarproduktion [www.sckcen.be] Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 14 100 10 Energieverlust pro Längeneinheit: dE/dx dE/dx unterschiedlich für unterschiedliche Teilchenarten → Teilchenidentifikation Bethe-Bloch Radiative AndersonZiegler Eµ c Radiative losses Radiative effects Minimum ionization reach 1% Without ! 1 F. Bloch Geladene Teilchen verlieren Energie durch elektromagnetische Wechselwirkung mit Atomen: Ionisation µ$ Nuclear losses 0.001 0.01 0.1 1 10 0.1 1 10 100 1 [MeV/c] dE (keV/cm) Energy deposit per unit length (keV/cm) dx H. Bethe µ+ on Cu LindhardScharff Semiklassisches Modell („Bethe-BlochFormel”) Stopping power [MeV cm2/g] Geladene Teilchen in Materie "# 100 1000 10 4 10 5 10 6 10 100 1 10 100 [GeV/c] Muon momentum [TeV/c] 32 dE/dx in PEP4/9Zeitprojektionskammer 28 µ ! K p D 24 20 e 16 e 12 8 0.1 1 Momentum (GeV/c) 10 p (GeV/c) Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente [Particle Data Group] 15 Spezialfälle: Elektronen und Myonen Energieverlust von Elektronen Geringe Masse: me = (1/200) mµ = (1/1800) mp Wichtigster Mechanismus für Energieverlust: Bremsstrahlung (~ 1/m4) (Emission von Photonen im Coulombfeld des Atomkerns) Myonen durchdringen mehr Materie als andere geladene Teilchen → Nachweis in „äußerer Zwiebelschale” Myonen sind Leptonen: keine starke Wechselwirkung Myonen sind schwer: Bremsstrahlung vernachlässigbar Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 16 Impulsmessung mit Spurdetektoren Spurdetektor („Tracking”) Kalorimeter elektromagnetisch Myondetektor hadronisch Photon Elektron/Positron Myon Neutrino Neutron Pion, Proton „Innen” „Außen” Impulsmessung Geladene Teilchen werden von Magnetfeldern abgelenkt 2 mv ! = Lorentzkraft als Zentripetalkraft: e !v × B r !r · r Typische Magnete in Collider-Detektoren Solenoidmagnet (häufig supraleitend) mit Rückflussjoch Ausnahme: LHCb → Dipolmagnet Homogenes Magnetfeld: helikale (= schraubenlinienförmige) Bewegung Senkrecht zu Feldlinien: Kreisbahn Parallel zu Feldlinien: gleichförmig-geradlinig Impuls senkrecht zu B aus Krümmungsradius der Teilchenspur: pT [GeV/c] = 0.3 B[T] · r [m] Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 18 Spur- und Vertexrekonstruktion Mehrlagiger Spurdetektor Spuranpassung: minimiere Spurpunkte mit Unsicherheit Elektrische Signal in jeder Detektorlage → Spurpunkte Spuranpassung: 2 (x − x) i χ2 = ∑ 2 σ i i xi σi Messung Unsicherheit Detektorlage Mustererkennung: liegen Spurpunkte auf gemeinsamer Helixbahn? Spurfit: Anpassung der der Helixparameter Vertexanpassung: zeigen Spuren auf gemeinsamen Ursprungsort („Vertex”)? Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente Simulierter Zerfall eines supersymmetrischen Teilchens (Seitenansicht) 19 Spur- und Vertexrekonstruktion Mehrlagiger Spurdetektor Spuranpassung: minimiere Spurpunkte mit Unsicherheit Elektrische Signal in jeder Detektorlage → Spurpunkte Spuranpassung: 2 (x − x) i χ2 = ∑ 2 σ i i xi σi Messung Unsicherheit Detektorlage Mustererkennung: liegen Spurpunkte auf gemeinsamer Helixbahn? Spurfit: Anpassung der der Helixparameter Vertexanpassung: zeigen Spuren auf gemeinsamen Ursprungsort („Vertex”)? Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente Simulierter Zerfall eines supersymmetrischen Teilchens (Seitenansicht) 19 Dotierte Halbleiter Heutige Spurdetektoren: Halbleitertechnologie Typische Halbleiter (z.B. Silizium, GaAs) Kristallgitter mit 4 Valenzelektronen Zwei Arten von Ladungsträgern: Negativ – freie Elektronen Positiv – Elektronen wandern zwischen freien Positionen im Kristallgitter („Löcher”) Veränderung der Eigenschaften durch Dotierung: Füge Atome mit 5 Valenzelektronen hinzu (P, As, Sb): „n-dotiert” (zusätzliche Elektronen) Füge Atome mit 3 Valenzelektronen hinzu (B, Al, Ga, In): „p-dotiert” (zusätzliche Löcher) Tieferes Verständnis: Bändermodell [hyperphysics.phy-astr.gsu.edu] Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 20 pn-Übergang und Verarmungszone Übergang zwischen p-dotiertem und n-dotiertem Halbleiter Ladungsträger diffundieren zur anderen Seite und rekombinieren Ausbildung einer nicht-leitenden Schicht („Verarmungszone”) „Loch” Elektron Verarmungszone nach Rekombination: Ionen (Umgekehrte) Bias-Spannung Entfernung von Ladungsträgern → Vergrößerung der Verarmungszone Durchgang geladene Teilchen: neue Ladungsträger durch Ionisierung → elektrisches Signal Bias-Spannung [hyperphysics.phy-astr.gsu.edu] Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 21 Funktionsprinzip: Siliziumdetektoren Elektrisches Signal Metallstreifen oder -pixel Verstärkung, Digitalisierung, … Isolator Implantat (p+-dotiert): + – 300 µm segmentiert → Ortsinformation (Streifen oder Pixel) + – + – – + Bulk (n-dotiert) Backplane (n+-dotiert) Geladenes Teilchen Biasspannung (+150 V) Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 22 Beispiel: CMS-Spurdetektor η -1.5 -1.3 -1.1 -0.9 -0.7 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 -1.7 1.7 1200 -1.9 -2.1 -2.3 -2.5 1.9 1000 TOB 800 2.1 2.3 2.5 600 400 r (mm) 1.5 TID TIB TID 200 TEC- 0 PIXEL TEC+ -200 TID -400 TIB TID -800 TOB -1000 -1200 -2600 -2200 -1800 -1400 -1000 -600 -200 200 600 1000 1400 1800 2200 z (mm) 2600 CMS-Experiment: gesamter Figure 3.1: Schematic cross section through the CMS tracker. Each line represents a detector Spurdetektor ausindicate Silizium module. Double lines back-to-back modules which deliver stereo hits. Mehr als 200 m2 Detektorfläche, mehr als 60 Millionen Auslesekanäle layers 5 and 6. It provides another 6 r-φ measurements with single point resolution of 53 µm and 35 µm, respectively. The TOB extends in z between ±118 cm. Beyond this z range the Tracker Innere Lagen: Pixeldetektoren EndCaps (TEC+ and TEC- where the sign indicates the location along the z axis) cover the region → hohe Auflösung 124 cm < |z| < 282 cm and 22.5 cm < |r| < 113.5 cm. Each TEC is composed of 9 disks, carrying Äußere Lagen: Streifendetektoren up to 7 rings of silicon micro-strip detectors (320 µm thick on theCMS innerTracker 4 rings, Inner 500 µmBarrel thick → große Abdeckung on rings 5-7) with radial strips of 97 µm to 184 µm average pitch. Thus, they provide up to 9 φ measurementsLehrerfortbildung per trajectory. „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 23 2008 JINST 3 -600 Gasgefüllte Detektoren Geladene Teilchen durchfliegen Detektor mit „Zählgas”: Ionisation (5× mehr Energie pro Ionisation als bei Silizium notwendig) Hochspannung zwischen Anode und Kathode: Gasverstärkung (Townsend-Lawine) Kathode Anodendraht + − + −+ − − + − + −+ + − Hochspannung Gasvolumen Geladenes Teilchen Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 24 Gasgefüllte Detektoren Geladene Teilchen durchfliegen Detektor mit „Zählgas”: Ionisation (5× mehr Energie pro Ionisation als bei Silizium notwendig) Hochspannung zwischen Anode und Kathode: Gasverstärkung (Townsend-Lawine) Kathode Anodendraht + − + −+ − − + − + −+ + − Hochspannung Elektron Gasatom Gasvolumen Anodendraht Geladenes Teilchen Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 24 Betriebsmodi eines Zählrohrs Zahl der Ionen Amplif icat ion Count ers Single-wire gas Ionisationskammer: counter keine Gasverstärkung signal Proportionalzähler: gas proportional zur Signal Primärionisation AmplCt r 3 C Geiger-Müller-Modus: + Zählung der durchgehenden Teilchen W. Udo Schr ödwe counter V + gasTypische „Zählgase” Zählen: Argon Löschen der Ladungslawine: CO2 Potenzial (V) Oct 2001 Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 25 MDT-Detektor in ATLAS Nachweis von Myonen in ATLAS Myonen: einzige Teilchenart, die Kalorimeter durchdringt Genaue Impulsmessung: 5500 m2 Driftröhren (MDT = monitored drift tubes) in starkem ringförmigen Magnetfeld Cathode tube µ Rmin Anode wire 29.970 mm Zählgas: Argon/CO2 (93%,7%) Figure 6.8: Cross-section Betriebsspannung: ca 3000 Vof a MDT tube. Figure 6.9: Longitudinal cut through a MDT tube. Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 26 MDT-Detektor in ATLAS Nachweis von Myonen in ATLAS Myonen: einzige Teilchenart, die Kalorimeter durchdringt Genaue Impulsmessung: 5500 m2 Driftröhren (MDT = monitored drift tubes) in starkem ringförmigen Magnetfeld Cathode tube µ Rmin Anode wire 29.970 mm Zählgas: Argon/CO2 (93%,7%) Figure 6.8: Cross-section Betriebsspannung: ca 3000 Vof a MDT tube. Figure 6.9: Longitudinal cut through a MDT tube. Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 26 Energiemessung mit Kalorimetern Spurdetektor („Tracking”) Kalorimeter elektromagnetisch Myondetektor hadronisch Photon Elektron/Positron Myon Neutrino Neutron Pion, Proton „Innen” „Außen” Kalorimeter Historisch: Kalorimeter = „Wärmemesser” Teilchenphysik: Kalorimeter = „Energiemesser” Idee: messe Teilchenenergie mittels (teilweiser) Absorption in schwerem Detektormaterial Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 28 Teilchenschauer Elektromagnetischer Schauer γ Teilchen wechselwirken mit Detektormaterial im Kalorimeter: Schauer neuer Teilchen e+ e+ e+ Welchselwirkungen in Materie: stark unterschiedlich zwischen Elektronen/ Photonen und Hadronen γ e− γ γ e− e+ e− γ e− e+ e− Elektromagnetische Kalorimeter Nucleus Hadronische Kalorimeter Gesamtlänge aller Spuren im Schauer proportional zur Energie des Primärteilchens π0 γ Hadronischer Schauer γ e+ e− e− π+ _ νµ Nucleus e+ + π π0 γ Teilchenidentifikation möglich durch Analyse der Schauerform γ µ + νµ Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente e− + e+ e e− 29 µ− Arten von Kalorimetern Homogene Kalorimeter: Schauernachweis in gesamtem Detektorvolumen PbWO4: Rohmaterial für elektromagnetisches Kalorimeter bei CMS Kristalle: CsI(Tl), PbWO4, … → durchgehendes Teilchen erzeugt Lichtblitz („Szintillation”) Flüssige Edelgase: Argon (LAr), Krypton (LKr) → Ionisation Sampling-Kalorimeter: Absorbermaterial und sensitives Material wechseln sich ab Metall–Szintillator: Blei, Eisen, Uran + Plastikszintillator Metall–Flüssige Edelgase: Blei, Kupfer, Messing + LAr Segment des FlüssigargonKalorimeters (ATLAS) Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 30 Flüssigargon-Kalorimeter in ATLAS Cells in Layer 3 !"$!# = 0.0245$0.05 Flüssigargon-Kalorimeter: Trigge 47 0m m #=0 Durchgehendes Teilchen ionisiert hochreines flüssiges Argon 16X0 Trigge Tow r !" = 0er .0982 m m 4.3X0 00 1.7X0 !"=0.0 245x 36.8m 4 mx =147.3 4 mm 15 Erzeugte Ionen driften zu Elektroden (Spannung: ca. 2000 V), erzeugen elektrisches Signal r Towe !# = 0 r .1 2X0 Square cells in Layer 2 !" = 0 Betriebstemperatur: ca. 80 K (flüssiger Stickstoff) .0245 " !# = 0 .025 m/8 = 4.69 m m !# = 0 .0031 Strip cells in Layer 1 37.5m # Elektromagnetisches Kalorimeter bei ATLAS Figure 5.4: Sketch of a barrel module where the different layers are clearly visible with the ganging of electrodes in φ . The granularity in η and φ of the cells of each of the three layers and of the trigger towers is also shown. 5.2.2 Absorption elektromagnetischer Schauer in Bleiplatten Besonderheit Akkordeonstruktur: schnelle Auslese, keine Lücken in Detektorabdeckung Barrel geometry The barrel electromagnetic calorimeter [107] is made of two half-barrels, centred around the zaxis. One half-barrel covers the region with z > 0 (0 < η < 1.475) and the other one the region with z < 0 (−1.475 < η < 0). The length of each half-barrel is 3.2 m, their inner and outer diameters are 2.8 m and 4 m respectively, and each half-barrel weighs 57 tonnes. As mentioned above, the barrel calorimeter is complemented with a liquid-argon presampler detector, placed in front of its inner surface, over the full η-range. A half-barrel is made of 1024 accordion-shaped absorbers, interleaved with readout electrodes. The electrodes are positioned in the middle of the gap by honeycomb spacers. The size of the drift gap on each side of the electrode is 2.1 mm, which corresponds to a total drift time of about 450 ns for an operating voltage of 2000 V. Once assembled, a half-barrel presents no Simulierter Schauer – 114 – Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 31 Vom Detektor zur Publikation Front-End-Elektronik Detektoren liefern in der Regel kleine analoge Signal → Vorverarbeitung nah am Detektor (“Front-End”) ASD (engl.: amplifier–shaper–discriminator) Verstärkung → Formung → Diskriminator → Schwelle ADC (engl.: analog–to–digital converter) Digitalisierung → Datenübertragung häufig mit optischen Fasern Kleine Dämpfung über typische Abstände (50–100 m) Keine Beeinflussung durch elektromagnetische Störungen Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 33 Online-Datenverarbeitung Herausforderung Datenrate: 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde Interessantes Ereignis Datenrate ca. 1 TB/s → mit heutiger Technologie nicht verarbeitbar Zum Glück: >99.999999% aller Kollisionen „uninteressant” → schnelle Selektion „interessanter” Kollisionen Fließband Uninteressantes Ereignis Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 34 Online-Datenverarbeitung Herausforderung Datenrate: 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde Interessantes Ereignis Datenrate ca. 1 TB/s → mit heutiger Technologie nicht verarbeitbar Fließband Zum Glück: >99.999999% aller Kollisionen „uninteressant” → schnelle Selektion „interessanter” Kollisionen 2. Größere Auflösung in Teilen des Detektors, z. B. Kegel um Myon → Software auf Computerfarm 3. Information von Gesamtdetektor → Software auf Computerfarm Datenrate 1. Einfache Signale, geringer Auflösung, z. B. ein hochenergetisches Myon → spezielle Trigger-Hardware Detektor 1 TB/s ~2,5 !s Erste Triggerstufe 120 GB/s Zweite Triggerstufe ~10 ms 5 GB/s ~1 s Ereignisfilter 300 MB/s Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 34 Zeit pro Ereignis Lösung: mehrstufige OnlineDatenfilterung („Trigger”): Uninteressantes Ereignis Grid-Computing Herausforderungen: Datenrate: ca. 15 PByte/Jahr von allen LHC-Experimenten (CD-Stapel von 20 km Höhe) Prozessierung (Rekonstruktion, Simulation etc.): Rechenleistung von 100.000 Computern Lösung: Grid-Computing Rechenleistung und Speicherplatz weltweit verteilt Geschickte Aufteilung der Ressourcen: Bringe die Anwendung zu den Daten [CERN] Name „Grid”: Analogie zu Stromnetz („power grid”) LHC: Mehrstufiger („Multi-Tier”) Zugang Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 35 Grid-Computing Herausforderungen: Datenrate: ca. 15 PByte/Jahr von allen LHC-Experimenten (CD-Stapel von 20 km Höhe) Prozessierung (Rekonstruktion, Simulation etc.): Rechenleistung von 100.000 Computern Lösung: Grid-Computing GridKa KIT (Karlsruhe) Rechenleistung und Speicherplatz weltweit verteilt Geschickte Aufteilung der Ressourcen: Bringe die Anwendung zu den Daten z. B. DESY (Zeuthen, HH) [CERN] Name „Grid”: Analogie zu Stromnetz („power grid”) LHC: Mehrstufiger („Multi-Tier”) Zugang Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 35 Kalibration und Alignment Kalibration: Sicherstellung gleichmäßiger Detektorantwort SpurdetektorAlignment Herausforderung 1: Nicht jeder Auslesekanal eines Subdetektors zeigt die gleiche Antwort bei Teilchendurchgang feste Lage Herausforderung 2: Antwort kann zeitlich variabel sein Alignment: genaue Ausrichtung der Detektoren auszurichtende Lage Herausforderung: riesige Detektoren (z.B. ATLAS: 25 × 25 × 45 m3), aber Spurauflösung von einigen 10 µm feste Lage Grobe Ausrichtung: Präzisionsmechanik bei Konstruktion, Vermessungstechnik Geladenes Teilchen Feinausrichtung mit Daten von Teilchenspuren Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 36 Kalibration und Alignment Kalibration: Sicherstellung gleichmäßiger Detektorantwort Herausforderung 1: Nicht jeder Auslesekanal eines Subdetektors zeigt die gleiche Antwort bei Teilchendurchgang SpurdetektorAlignment Kalibration: gleiche Antwort von jeden Streifen feste Lage Herausforderung 2: Antwort kann zeitlich variabel sein Alignment: genaue Ausrichtung der Detektoren auszurichtende Lage Herausforderung: riesige Detektoren (z.B. ATLAS: 25 × 25 × 45 m3), aber Spurauflösung von einigen 10 µm feste Lage Grobe Ausrichtung: Präzisionsmechanik bei Konstruktion, Vermessungstechnik Geladenes Teilchen Feinausrichtung mit Daten von Teilchenspuren Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 36 Kalibration und Alignment Kalibration: Sicherstellung gleichmäßiger Detektorantwort Herausforderung 1: Nicht jeder Auslesekanal eines Subdetektors zeigt die gleiche Antwort bei Teilchendurchgang SpurdetektorAlignment Kalibration: gleiche Antwort von jeden Streifen feste Lage Herausforderung 2: Antwort kann zeitlich variabel sein Alignment: genaue Ausrichtung der Detektoren auszurichtende Lage Herausforderung: riesige Detektoren (z.B. ATLAS: 25 × 25 × 45 m3), aber Spurauflösung von einigen 10 µm Grobe Ausrichtung: Präzisionsmechanik bei Konstruktion, Vermessungstechnik Feinausrichtung mit Daten von Teilchenspuren feste Lage Alignment: Präzise Ausrichtung Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente Geladenes Teilchen 36 Monte-Carlo-Simulation Monte-Carlo (MC-) Simulationen: numerische Methoden, die auf Zufallszahlen basieren „Itʼs called ʻMonte Carloʼ because youʼre playing on someone elseʼs money.” [B. Jacobsen, Berkeley] Beispiel: MC-Integration Integral proportional zur Zahl der zufälligen Punkte unter der Kurve Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 37 Monte-Carlo-Simulation Monte-Carlo (MC-) Simulationen: numerische Methoden, die auf Zufallszahlen basieren „Itʼs called ʻMonte Carloʼ because youʼre playing on someone elseʼs money.” [B. Jacobsen, Berkeley] MC-Simulation in der Teilchenphysik Ereignisgenerator simuliere physikalischen Prozess (Quantenmechanik: Wahrscheinlichkeiten) Beispiel: MC-Integration Integral proportional zur Zahl der zufälligen Punkte unter der Kurve Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 37 Monte-Carlo-Simulation Monte-Carlo (MC-) Simulationen: numerische Methoden, die auf Zufallszahlen basieren „Itʼs called ʻMonte Carloʼ because youʼre playing on someone elseʼs money.” [B. Jacobsen, Berkeley] Beispiel: MC-Integration MC-Simulation in der Teilchenphysik Ereignisgenerator simuliere physikalischen Prozess (Quantenmechanik: Wahrscheinlichkeiten) Detektorsimulation: simuliere Wechselwirkung mit Detektormaterial Integral proportional zur Zahl der zufälligen Punkte unter der Kurve Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 37 Monte-Carlo-Simulation Monte-Carlo (MC-) Simulationen: numerische Methoden, die auf Zufallszahlen basieren „Itʼs called ʻMonte Carloʼ because youʼre playing on someone elseʼs money.” [B. Jacobsen, Berkeley] Beispiel: MC-Integration MC-Simulation in der Teilchenphysik Ereignisgenerator simuliere physikalischen Prozess (Quantenmechanik: Wahrscheinlichkeiten) Detektorsimulation: simuliere Wechselwirkung mit Detektormaterial Digitalisierung: übersetze Wechselwirkungen im Detektor in realistische Signale Integral proportional zur Zahl der zufälligen Punkte unter der Kurve Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 37 Monte-Carlo-Simulation Monte-Carlo (MC-) Simulationen: numerische Methoden, die auf Zufallszahlen basieren „Itʼs called ʻMonte Carloʼ because youʼre playing on someone elseʼs money.” [B. Jacobsen, Berkeley] Beispiel: MC-Integration MC-Simulation in der Teilchenphysik Ereignisgenerator simuliere physikalischen Prozess (Quantenmechanik: Wahrscheinlichkeiten) Detektorsimulation: simuliere Wechselwirkung mit Detektormaterial Digitalisierung: übersetze Wechselwirkungen im Detektor in realistische Signale Integral proportional zur Zahl der zufälligen Punkte unter der Kurve Rekonstruktion/Analyse: wie für reale Daten Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 37 Datenanalyse Objektorientierte Datenanalyse mit ROOT (http://root.cern.ch) Analyseschritte (schematisch): Trennung der „interessanten” Kollisionen (z.B. Higgs-Kandidat) von „uninteresanten” Kollisionen: Selektionsschnitte, Anpassungen („Fits”), neuronale Netze, … MC-Simulationen, Vergleich mit theoretischen Vorhersagen Präsentation der Ergebnisse, eingehende Prüfung durch Kollaboration Vorstellung auf Konferenzen Veröffentlichung in internationalen Fachzeitschriften Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 38 Datenanalyse Objektorientierte Datenanalyse mit ROOT (http://root.cern.ch) Analyseschritte (schematisch): Best Fit to Mass !2 Events Trennung der „interessanten” Kollisionen (z.B. Higgs-Kandidat) von „uninteresanten” Kollisionen: Selektionsschnitte, Anpassungen („Fits”), neuronale Netze, … 40 MC-Simulationen, Vergleich mit theoretischen Vorhersagen Präsentation der Ergebnisse, eingehende Prüfung durch Kollaboration Anti-Tagged Control (53 Events) (136 Events) Data (1.9 fb–1) CDF II Preliminary ! L dt = 1.9 fb–1 Fit Uncertainty Z + Jets (HF & LF) Standard Model t! Diboson (WZ, ZZ) 20 0 Tagged (13 Events) 0 2 4 6 0 2 4 6 0 2 6 8 !2 Vorstellung auf Konferenzen Veröffentlichung in internationalen Fachzeitschriften Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 4 38 Datenanalyse Objektorientierte Datenanalyse mit ROOT (http://root.cern.ch) Analyseschritte (schematisch): Best Fit to Mass !2 Events Trennung der „interessanten” Kollisionen (z.B. Higgs-Kandidat) von „uninteresanten” Kollisionen: Selektionsschnitte, Anpassungen („Fits”), neuronale Netze, … 40 MC-Simulationen, Vergleich mit theoretischen Vorhersagen Präsentation der Ergebnisse, eingehende Prüfung durch Kollaboration Vorstellung auf Konferenzen Veröffentlichung in internationalen Fachzeitschriften Anti-Tagged Control (53 Events) (136 Events) Data (1.9 fb–1) CDF II Preliminary ! L dt = 1.9 fb–1 Fit Uncertainty Z + Jets (HF & LF) Standard Model t! Diboson (WZ, ZZ) 20 0 Tagged (13 Events) 0 2 4 6 0 2 4 6 0 2 4 6 8 !2 PRL 101, 192002 (2008) PHYSICAL REVIEW LETTERS Search for the Flavor-Changing Neutral-Current Decay t ! Zq pffiffi in pp! Collisions at s ¼ 1:96 TeV week ending 7 NOVEMBER 2008 T. Aaltonen,24 J. Adelman,14 T. Akimoto,56 M. G. Albrow,18 B. Álvarez González,12 S. Amerio,44a,44b D. Amidei,35 A. Anastassov,39 A. Annovi,20 J. Antos,15 G. Apollinari,18 A. Apresyan,49 T. Arisawa,58 A. Artikov,16 W. Ashmanskas,18 A. Attal,4 A. Aurisano,54 F. Azfar,43 P. Azzurri,47a,47d W. Badgett,18 A. Barbaro-Galtieri,29 V. E. Barnes,49 B. A. Barnett,26 V. Bartsch,31 G. Bauer,33 P.-H. Beauchemin,34 F. Bedeschi,47a P. Bednar,15 D. Beecher,31 S. Behari,26 G. Bellettini,47a,47b J. Bellinger,60 D. Benjamin,17 A. Beretvas,18 J. Beringer,29 A. Bhatti,51 M. Binkley,18 D. Bisello,44a,44b I. Bizjak,31 R. E. Blair,2 C. Blocker,7 B. Blumenfeld,26 A. Bocci,17 A. Bodek,50 V. Boisvert,50 G. Bolla,49 D. Bortoletto,49 J. Boudreau,48 A. Boveia,11 B. Brau,11 A. Bridgeman,25 L. Brigliadori,44a C. Bromberg,36 E. Brubaker,14 J. Budagov,16 H. S. Budd,50 S. Budd,25 K. Burkett,18 G. Busetto,44a,44b P. Bussey,22 A. Buzatu,34 K. L. Byrum,2 S. Cabrera,17,q C. Calancha,32 M. Campanelli,36 M. Campbell,35 F. Canelli,18 A. Canepa,46 D. Carlsmith,60 R. Carosi,47a S. Carrillo,19,k S. Carron,34 B. Casal,12 M. Casarsa,18 A. Castro,6a,6b P. Catastini,47a,47c D. Cauz,55a,55b V. Cavaliere,47a,47c M. Cavalli-Sforza,4 A. Cerri,29 L. Cerrito,31,o S. H. Chang,28 Y. C. Chen,1 M. Chertok,8 G. Chiarelli,47a G. Chlachidze,18 F. Chlebana,18 K. Cho,28 D. Chokheli,16 J. P. Chou,23 G. Choudalakis,33 S. H. Chuang,53 K. Chung,13 W. H. Chung,60 Y. S. Chung,50 C. I. Ciobanu,45 M. A. Ciocci,47a,47c A. Clark,21 D. Clark,7 G. Compostella,44a M. E. Convery,18 J. Conway,8 K. Copic,35 M. Cordelli,20 G. Cortiana,44a,44b D. J. Cox,8 F. Crescioli,47a,47b C. Cuenca Almenar,8,q J. Cuevas,12,n R. Culbertson,18 J. C. Cully,35 D. Dagenhart,18 M. Datta,18 T. Davies,22 P. de Barbaro,50 S. De Cecco,52a A. Deisher,29 G. De Lorenzo,4 M. Dell’Orso,47a,47b C. Deluca,4 L. Demortier,51 J. Deng,17 M. Deninno,6a P. F. Derwent,18 G. P. di Giovanni,45 C. Dionisi,52a,52b B. Di Ruzza,55a,55b J. R. Dittmann,5 M. D’Onofrio,4 S. Donati,47a,47b P. Dong,9 J. Donini,44a T. Dorigo,44a S. Dube,53 J. Efron,40 A. Elagin,54 R. Erbacher,8 D. Errede,25 S. Errede,25 R. Eusebi,18 H. C. Fang,29 S. Farrington,43 W. T. Fedorko,14 R. G. Feild,61 M. Feindt,27 J. P. Fernandez,32 C. Ferrazza,47a,47d R. Field,19 G. Flanagan,49 R. Forrest,8 M. Franklin,23 J. C. Freeman,18 I. Furic,19 M. Gallinaro,52a J. Galyardt,13 F. Garberson,11 J. E. Garcia,47a A. F. Garfinkel,49 K. Genser,18 H. Gerberich,25 D. Gerdes,35 A. Gessler,27 S. Giagu,52a,52b V. Giakoumopoulou,3 P. Giannetti,47a K. Gibson,48 J. L. Gimmell,50 C. M. Ginsburg,18 N. Giokaris,3 M. Giordani,55a,55b P. Giromini,20 M. Giunta,47a,47b G. Giurgiu,26 V. Glagolev,16 D. Glenzinski,18 M. Gold,38 N. Goldschmidt,19 A. Golossanov,18 G. Gomez,12 G. Gomez-Ceballos,33 M. Goncharov,54 O. González,32 I. Gorelov,38 A. T. Goshaw,17 K. Goulianos,51 A. Gresele,44a,44b S. Grinstein,23 C. Grosso-Pilcher,14 R. C. Group,18 U. Grundler,25 J. Guimaraes da Costa,23 Z. Gunay-Unalan,36 C. Haber,29 K. Hahn,33 S. R. Hahn,18 E. Halkiadakis,53 B.-Y. Han,50 J. Y. Han,50 R. Handler,60 F. Happacher,20 K. Hara,56 D. Hare,53 M. Hare,57 S. Harper,43 R. F. Harr,59 R. M. Harris,18 M. Hartz,48 K. Hatakeyama,51 J. Hauser,9 C. Hays,43 M. Heck,27 A. Heijboer,46 B. Heinemann,29 J. Heinrich,46 C. Henderson,33 M. Herndon,60 J. Heuser,27 S. Hewamanage,5 D. Hidas,17 C. S. Hill,11,d D. Hirschbuehl,27 A. Hocker,18 S. Hou,1 M. Houlden,30 S.-C. Hsu,10 B. T. Huffman,43 R. E. Hughes,40 U. Husemann,61 J. Huston,36 J. Incandela,11 Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 38 Zusammenfassung Vier Experimente am LHC Zwei Vielzweckdetektoren: ATLAS, CMS Zwei spezialisierte Detektoren: LHCb, ALICE Nachweis aller Kollisionsprodukte: Zwiebelschalenartiger Detektoraufbau Spezialisierte Detektoren: Messung von Impuls, Energie und Teilchenart „Cutting-Edge”-Technologien: Halbleiterdetektoren, schnelle Elektronik, Grid-Computing, … Lehrerfortbildung „Weltmaschine”, Berlin, 14.11.08, U. Husemann: LHC – Die Experimente 39
