ATLASDetektor: Innerer Bereich, Kalorimeter
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ATLAS­Detektor: Innerer Bereich, Kalorimeter Aktuelle Probleme der experimentellen Teilchenphysik WS 2009 / 10 Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik Dr. Andreas Redelbach Dr. Andreas Redelbach Überblick ATLAS­Detektor Dr. Andreas Redelbach ATLAS­Subdetektoren Myon­Detektoren: Identifikation und genaue Impulsbestimmung von Myonen innerhalb des Magnetes Kalorimeter: Energiemessung von Photonen, Elektronen und Hadronen durch Totalabsorption Dr. Andreas Redelbach Tracker: Impuls von geladenen Teilchen durch Ablenkung in Magnetfeldern und genauer Vermessung der Spuren Anforderungen an ATLAS­Detektor Gute Auflösung bis zu höchsten Teilchenenergien Hohe Impulsauflösung geladener Teilchen durch Spurkrümmung in Magnetfeldern Gute Kalorimetrie und Abschirmung zur Bestimmung von ET und ET,miss Abdeckung eines großen ­ und ­Bereichs Hohe Ratenverträglichkeit (hohe Luminosität) Schnelle Elektronik und Sensoren Hohe Granularität (große Teilchendichte) Strahlenhärte (Detektoren an Hadron­Collidern) Dr. Andreas Redelbach ATLAS­Triggersystem Bei maximaler Intensität / Luminosität liegt Ereignisrate im Detektor bei 1 GHz Level 1­ Trigger (75kHz): Hardware entscheidet in 2.5 s anhand weniger Daten Festlegung von Regions of Interests (ROI) Level 2­Trigger (3.5kHz): Software entscheidet in 40 s anhand von mehr Daten Berücksichtigung von ROIs Event Filter (200 Hz): Software entscheidet in 4 s durch Computeranalyse Speicherung zunächst am CERN­Computer­Zentrum Dr. Andreas Redelbach Bethe­Bloch (Energieverlust durch Ionisation) ● Gültig im mittleren Impulsbereich ● ● ● ● ● ● Atomare Effekte bei niedrigen Energien und Bremsstrahlung bei hohen Energien spararat Z/A­ Abhängigkeit: Großer Energieverlust in H 1/ bei niedrigen Impulsen: 2 Schwere Teilchen verlieren mehr Minimum bei p/m ca. 3­4: Minimum ionizing particle Log. Anstieg bei hohen Impulsen Dichteeffekt durch Polarisation des Absorbers Dr. Andreas Redelbach ATLAS Koordinatensystem Orientierung der Achsen: Kreismittelpunkt x Oben y Tangential zu Strahlrichtung z Winkel(artige) Koordinaten: Azimuth Winkel zur Strahlachse Pseudorapidität Rapidität Dr. Andreas Redelbach 1 E p z y= ln 2 E− p z Rapidität =−ln tan 2 Tracker deckt einen ­Bereich von ­2.5 bis 2.5 ab, entspricht einem ­Winkelbereich von 0.164 rad bis 2.978 rad Verteilungen in Pseudorapidität sind unabhängig vom Bezugssystem (in Strahlrichtung, Übungsaufgabe) Dr. Andreas Redelbach Solenoid­Magnetfeld Innerer Detektor im Feld des zentralen Solenoidmagneten der Stärke 2T B­Feldrichtung parallel zu Strahl Toroidales Magnetfeld im Myonspektrometer Dr. Andreas Redelbach Magnetfeld und Impulsmessung Innerer Detektor: Magnetfeld parallel zur Strahlrichtung, Lorentzkraft auf transversale Impulskomponente pT In R ­Ebene: Ablenkung geladener Teilchen auf Kreisbahn mit pT R= Radius qB Bestimmung der Krümmung 1/R aus Ortsmessungen führt zu pT Gesamtimpuls p= sin x N Messpunkte mit Fehler entlang eines Kreisbogens der Länge L führen zu Fehler Erreichbare Impulsauflösung 1 720 x = 2 , R L N 4 pT pT = Dr. Andreas Redelbach x pT qBL 2 N≥10 720 b N 4 ∝ pT Sagitta Leicht gekrümmtes Spursegment mit charakteristischer Sagitta s Kreisabschnitt: 2 L s =r − r − 4 2 2 s L L r= ≈ s ≪ L 2 8s 8s 2 Mit der Relation von transversalem Impuls und Magnetfeld folgt: pT R= qB Sagitta­Fehler aus Ortspunkt­Fehler (N Punkte): N 1 2 2 s= x ∑ i=1 N −1 Dr. Andreas Redelbach qBL s≈ 8p T 2 Überblick innerer Detektor ● Alle 25 ns entstehen etwa 1000 Teilchen, sehr hohe Spurendichte ● Anforderungen an Strahlenhärte ● Pixel­Detektoren ● Semiconductor Trackers (SCT) ● Transition Radiation Tracker (TRT) Dr. Andreas Redelbach Barrel­ und Endcap­Bereich Barrel: Detektorkomponenten zylindersymmetrisch um Strahl End­Cap: Detektorkomponenten senkrecht zur Strahlrichtung Dr. Andreas Redelbach Pixeldetektoren Pixel­Detektoren ermöglichen Spurrekonstruktion bei hoher Teilchendichte Höchste Ortsauflösung um Kollisionspunkt Typische Spur durchläuft 3 Pixeldetektoren ATLAS­Pixels: 50 x 400 m (lang in z und R) Extrem hohe Kanalzahl, ca. 80 M Intrinsische Genauigkeit: 12 m (R­ ), 100 m (z) Pixelmodul Wafer mit 3 Si­Sensoren Module: – Silizium Sensor mit ca. 47000 Pixeln – 16 Auslesechips mit Verstärkerkanälen – 1 Modul­Kontroll­Chip Dr. Andreas Redelbach Streifendetektoren ● 4 Doppellagen von Siliziumstreifen ● Streifenlänge 12 cm ● Spur kreuzt je 8 Streifen ● 6.3x106 Auslesekanäle ● Auflösung: Dr. Andreas Redelbach ● 17 m (R­ ) ● 580 m (z) Prinzip Halbleiterdetekoren Kombination von verschieden dotiertem Si erzeugt pn­Übergang Donator stellt Elektronen zur Verfügung, Akzeptor Löcher Raumladungszone am Übergang Externe Sperrspannung vergrößert die Verarmungszone durch Abziehen der freien Ladungsträger Durchgehende Teilchen erzeugen Elektron­Loch­Paare (in Si: 3.6 eV pro Paar nötig, zum Vergleich: 20 eV – 40 eV in Gaszählern) Durch hohe Dichte und niedrige Ionisationsschwelle sind sehr dünne, kompakte Detektoren mit sehr guter Ortsauflösung möglich Dr. Andreas Redelbach Transition Radiation Tracker ● ● ● ● Durchgang geladener, hochrel. Teilchen durch Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten erzeugt Übergangsstrahlung Strahlungsintensität prop. Lorentz­ Hohe Anzahl von Treffern pro Spur (ca. 36), schichtweise Anordnung Gasmischung: 70% Xe, 27 % CO2, 3% 02, Gasqualität wird ständig überwacht ● 351000 Auslesekanäle ● Auflösung (R­ ) 130 m ● Vertex­Messung auf ca. 5 cm Radius genau Dr. Andreas Redelbach Überblick Kalorimeter Dr. Andreas Redelbach Anforderungen Kalorimeter Kalorimeter muss elektromagnetische und hadronische Schauer eindämmen und Durchschlag auf das Myonensystem vermeiden E T , miss Bestimmung von über großen ­Bereich Schichtstruktur aus passivem Absorber­Material und aktivem Detektor­ Material; nur kleiner Teil der deponierten Energie wird detektiert Vorteil: Kompakte Detektoren durch sehr dichte Absorber Nachteil: Energieauflösung durch Fluktuationen begrenzt Häufig Messung der Energiedeposition durch Szintillationsstrahlung Sampling Fraction: Anteil der Energie eines durchgehenden Teilchens, welcher im aktiven Material „gesehen“ wird (im Prozentbereich) Komponenten mit LAr (Siedetemperatur 87 K) müssen gekühlt werden und befinden sich in einem Kryostaten Dr. Andreas Redelbach EM und Vorwärtskalorimeter Pb­LAr­Detektor mit akkordeonartigen Elektroden und Bleiabsorberschichten Barrel: | |<1.475 End­Cap: 1.375<| |<3.2 Max. Auflösung: x = 0.025 x 0.1 Vorwärtskalorimeter: LAr als aktives Material Verschiedene Module für hadronische bzw. elektromagnetische Schauer 3.1 < | | < 4.2 Max. Auflösung x x y = 3.0 cm x 2.6 cm Dr. Andreas Redelbach LAr Kalorimeter ● ● ● ● Ladung durch Ionisation durch durchgehende Teilchen erzeugt Ladungssammlung auf Elektroden (keine Verstärkung!) Hohe Reinheit der kryogenischen Flüssigkeit erforderlich Akkordeon­Geometrie vereinfacht Auslese und ermöglicht hohe Teilchenraten (kurze Driftwege) Dr. Andreas Redelbach EM. Kalorimeter und Teilchenschauer Bremsstrahlung Primäres Photon Paarerzeugung Dr. Andreas Redelbach Kalorimeter und Teilchenschauer ● Strahlungslänge X0, kritische Energie Ec (e­ mit E>Ec verliert mehr Energie durch Bremsstrahlung als durch Ionisation bzw. Anregung) + ­ + ­ ● ● Prozesse: e e e e ... Energie wird gleich aufgeteilt: : Anzahl der X , bei der die Zahl der Teilchen maximal ist n 0 max 2 Tiefe des Schauers wächst mit lnE Energieproportionalität für Teilchenzahl Fehler von N bzw. E: Energieauflösung: N ∝ N , N ∝E E ∝ E E a = b E E Dr. Andreas Redelbach n max E = Ec E c= E 2n max ln E −ln E c n max = ln 2 Hadronische Schauer Dr. Andreas Redelbach Hadronische Schauer ● ● ● ● ● ● Hadronische Kaskade: In inelastischen Reaktionen werden weitere Hadronen erzeugt. Längenskala des Schauers hängt ab von der nuklearen Wechselwirkungslänge Signifikanter Teil der Gesamtenergie geht in Kernprozesse (Kernanregung, Nukleon­Abspaltung, langsame, verzögerte Neutronen) Werden neutrale Pionen erzeugt, so zerfallen diese praktisch instantan in zwei Photonen (Beginn eines elektromagnetischen Subschauers) Anteil der elektromagnetischen Energie nimmt mit der Schauerenergie zu Fluktuationen im Verhältnis von elektromagnetischen und hadronischen Subschauern verschlechtern die Auflösung Dr. Andreas Redelbach Hadronisches Kalorimeter ● Barrel­Region: ● Absorber: Stahl, aktives Material: Szintillatorziegel ∣∣ < 1.7 ● ● Max. Auflösung: × =0.1×0.1 ● Endcap­Bereich: ● Cu­LAr­Detektor ● ∣∣ 1.5 < < 3.2 ● Max. Auflösung: × =0.1×0.1 Dr. Andreas Redelbach Literatur ● ● ● ● ATLAS Technical Design Report 1999 F. Simon: „Teilchendetektoren in der Hochenergiephysik“, Maria Laach Herbstschule für Hochenergiephysik, Bautzen 2009 Particle Data Group, ''Passage of particles through matter'', http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/passagerpp.pdf Particle Data Group, ''Particle detectors'', http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/pardetrpp.pdf Dr. Andreas Redelbach
