Vorlesung2_nov2003

Perspektiven der experimentellen
Hochenergiephysik - Teil 2
135.284
Claudia-Elisabeth Wulz
Institut für Hochenergiephysik der
Österreichischen Akademie der Wissenschaften
c/o CERN/EP, CH-1211 Genf 23
Tel. 0041 22 767 6592, GSM: 0041 79 201 0919
E-mail: [email protected]
http: //home.cern.ch/~wulz
Nov. 2003
Teilchendetektoren
Kein einzelner Detektor ist optimal, um gleichzeitig Zeit, Position, Impuls
und Energie von Teilchen zu messen sowie sie zu identifizieren.
Detektor
Tracker Elektrom.
HadronKalorimeter kalorim.
Müonsystem
Photonen
Elektronen
Müonen
Pionen, Protonen
Neutronen
innen ...
außen ...
Zeitmessung
Geladene Teilchen erleiden Energieverlust durch Anregung und
Ionisierung von Atomen im Detektormedium. Ein Teil der
Anregungsenergie erscheint in geeigneten Medien als sichtbares Licht,
das in Lichtleitern durch Vielfachreflexion zu einem Auslesegerät
transportiert werden kann -> Szintillationszähler.
Photoelektronenvervielfacher (“Photomultiplier”, “PM”) sind oft
verwendete Auslesegeräte. Elektrische Pulse bis zu 1 bis 10 ns (organische
Szintillatoren, Wellenlängenschieber notwendig). Zeitauflösung bis zu
200 ps -> Verwendung im Trigger!
Verwendung als Koinzidenzzähler und zur Strahldefinition.
Probleme: Anpassung der Szintillatorgeometrie an den PM sowie Arbeit
in Magnetfeldern.
Photoelektronenvervielfacher
Licht vom
Szintillator
1. Dynode
………….
Glühkathode (Photokathode)
]
Anode
Photoelektronenvervielfacher
Photokathode: e werden durch Photoeffekt frei.
Dynoden: Sekundäremissionselektroden mit sukzessive wachsender
Potentialdifferenz
PM’s haben i.a. 10 bis 14 Stufen. Verstärkungsfaktoren (“Gain”) bis zu
108 können erreicht werden. Die verschiedenen Spannungen an den
Dynoden werden durch Spannungsteiler erzeugt. Die Effizienz für
Photoelektronenkonversion an der Kathode hängt stark von der
Frequenz des einfallenden Lichtes sowie vom Material ab.
Quanteneffizienz h(l) =
Anz. der freigewordenen Photoelektronen
Anz. der auf die Kathode treffenden Photonen (l)
Für die meisten Metalle ist h < 0.1%! Halbleiter haben h zwischen 10 und
30%. GaP (dotiert mit Zink und Cäsium) hat h ≈ 80%! h ist für ca.
400 nm Wellenlänge am größten.
Eigenschaften einiger Szintillatoren
NaI(Tl) BGO CsI(Tl) Polystyren
+p-terphenyl
Zerfallszeit / ns
lmax (nm)
Relative Lichtausbeute
250
410
1.0
300
480
0.15
1000
565
0.40
3
355
0.13
Strahldefinition
Szintillatoren erzeugen große Ausgangspulse mit kurzer Anstiegszeit.
Jedoch ist die räumliche Auflösung schlecht, da keine klare Korrelation
zwischen Teilchentrajektorie und Puls besteht.
Braucht man räumliche Information, ordnet man mehrere kleine
Szintillationszähler in einem “Hodoskop” an. Um z.B. einen Strahl genau
zu definieren, nimmt man mehrere Zähler in Koinzidenz (“Beam
Telescope”). Vor allem in Teststrahlen (Test Beams) von Bedeutung.
Ortsmessung
Historische Beispiele:
photographische Emulsionen,
Nebelkammer, Blasenkammer
e
Pion-Zerfall in
photographischer
Emulsion
m
600 mm
C. Lattes et al., Nature 159 (1947) 694
p+ -> m+ + nm
m+ -> e+ + ne + n- m
Auflösung < 1 mm, kontinuierlich
sensitiv, Ereignisse müssen mit
dem Mikroskop gesucht werden!
p
GeladenesV-Ereignis: K+ -> m + + nm
Wilson’sche Nebelkammer
Kondensation von Wasserdampf
schneller bei Anwesenheit von
Ionen. Gefüllt mit Luft, die mit
Wasserdampf fast gesättigt ist.
Bei Expansion: Luft wird kühler,
Tröpfchenbildung entlang Spuren
von
Ionen,
die
durch
durchgehende geladene Teilchen
verursacht wurden. Sensitiv nur
während der Expansionszeit,
lange Totzeit danach. 1952 durch
Blasenkammer ersetzt. Diese ist
gefüllt mit Flüssigkeit statt mit
Gas.
K+
}
m+
Rochester & Butler, Nature 160 (1947) 855
3 cm Blei
Big European Bubble Chamber (BEBC)
Photo: CERN
Blasenkammerereignis
(neutrale Ströme)
Photo: CERN
Proportionalkammern
104 bis 105 V/cm -> Anzahl der Sekundärelektronen ist proportional zur
Anzahl der Primärionenpaare (≈ 105 / Primärionenpaar).
Proportionalzählrohr
Anodendraht
+V0
Signal
Kathode
Gasgefüllt.
“Quenching” - Komponente nötig, um die Ausbreitung von
Elektronen bzw. Ionen zu stoppen.
Multiwire Proportional Chamber (MWPC)
Charpak (1968, Nobelpreis 1993)
Auflösung: ≈ 300-500 mm, 30 ns
Kathode
Anodendrähte
Kathode
L ≈ 5-8 mm, d ≈ 1-2 mm,
Drahtdurchmesser 20-40 mm
Nur 1 Koordinate durch Adressen
der getroffenen Drähte!
Äquipotential- und Feldlinien in MWPC
Multiwire Proportional Chamber (MWPC)
Möglichkeiten zur Messung der zweiten Koordinate
x-y (u-v) - Konfiguration
Gekreuzte Drahtebenen
“Geistertreffer”, daher
nur für niedrige
Multiplizitäten
“Charge Division”
y
Teilchenspur
QB
ADC
Anodendraht
QA
(Analog/Digital Konverter)
y ___________
QA
=
L QA+ QB
___
L
y
s ( ___
) ≈ 0.4 %
L
ADC
Multiwire Proportional Chamber (MWPC)
Photo: CERN
Driftkammer
Ersatz von MWPC. Auflösung 100-200 mm.
t0
Driftzelle
t1
t1
to
Szintillationszähler startet einen Timer (TDC) und definiert t0 .
t1 ist die Ankunftszeit der Elektronen am Draht.
vD muß möglichst konstant sein. TypischeWerte um 5 cm/ms.
Eine Driftzelle ist typischerweise einige cm lang bzw. breit.
Driftkammer
Driftkammern gibt es in planaren (z.B. CMS-Experiment am CERN)
und zylindrischen Anordnungen (“Jetkammern”, z.B. OPALExperiment am CERN).
Driftkammer
Straw Tracker des ATLAS-Experiments
Photo: CERN
Streamerkammer
Gasverstärkung 108 Elektronen pro Primärionenpaar ->
“Streamermode” (lokales Plasma) -> durch Rekombination von
Ionen entsteht sichtbares Licht von den Streamern -> elektrischer
Puls. Elektroden sind parallele Platten, HV 10-50 kV/cm.
Auflösung ca. 200 mm. Elektrisches Analogon zur Blasenkammer.
Photo: CERN
Resistive Plate Chamber (RPC)
Abgeleitet von Proportionalkammern. Arbeitspunkt nahe dem
Streamer Mode (starke Photonemission).
Zeitdispersion: ≈ 1-2 ns -> geeignet zum Triggern!
RPC’s gibt es auch in Anordnungen mit mehreren Gasgaps. Dadurch
erreicht man bessere Effizienz und zeitliche Auflösung.
Time Projection Chamber (TPC)
3-dimensionaler Spurendetektor, der auf Ideen der MWPC und der
Driftkammer basiert. Hauptsächlich in Verwendung bei e+e- - Collidern
und Ionenexperimenten. Die TPC besteht aus einem großen, gasgefüllten
Zylinder mit einer dünnen HV-Elektrodenplatte in der Mitte ->
uniformes E-Feld. Zusätzlich wird ein paralleles B-Feld angelegt. An den
Stirnseiten des Zylinders sind Sektoren von Ebenen aus Anodendrähten
angeordnet (Endkappen). Parallel zu jedem Draht liegen Kathodenpads.
Die durch den Durchgang eines Teilchens erzeugten Elektronen driften zu
den Endkappen. 1 Koordinate ist durch die Position der getroffenen
Anode gegeben, die 2. durch das auf den Kathodenpads induzierte Signal.
Die 3. Koordinate entlang der Zylinderachse ist durch die Driftzeit der
Ionisationselektronen gegeben. Man erhält viele Raumpunkte entlang
einer Spur. Zur Vermeidung von Diffusion ist das Magnetfeld vorhanden.
Signalamplituden an den Endkappen sind proportional zum
Energieverlust dE/dx. Der Impuls kann aus der Krümmung bestimmt
werden -> Teilchenidentifikation.
Time Projection Chamber (TPC)
paralleles Magnetfeld
Teilchen
Elektrisches Feld
Driftende
Elektronen
Endkappen
Hochspannungsebene
Kathodenpads
Anodendrähte
Hochspannung
Elektronen
driften
Time Projection Chamber (TPC)
ca. 1000 Spuren
Halbleiterdetektoren
Abreicherungszone
ohne Vorspannung
p-n Übergang mit
Sperrspannung
+
Dotation:
n: As, P, Sb (5 Valenzel.)
p: Ga, B, In (3 Valenzel.)
n
p
-
Abreicherungszone
mit Vorspannung
Ohne Sperrspannung findet anfangs eine Diffusion von Löchern zur nRegion und von Elektronen zur p-Region statt. Die diffundierenden
Elektronen füllen Löcher in der p-Region, die Löcher fangen Elektronen
in der n-Region. Da n- und p-Regionen ursprünglich elektrisch neutral
waren, entsteht Aufladung beiderseits des pn-Übergangs. p-Region wird
negativ, n-Region positiv. Dadurch entsteht ein Feldgradient, der
schließlich die Diffusion aufhält. Es entsteht eine Zone, die frei von
mobilen Ladungsträgern ist.
Halbleiterdetektoren
Durch Anlegen einer Sperrspannung (ca. 100V) wird die dünne
Abreicherungszone auf den ganzen Bereich ausgedehnt.
Durch Energieabgabe in der abgereicherten Zone (durch durchgehende
geladene Teilchen oder Photonen) entstehen freie Elektron-Loch-Paare.
Im elektrischen Feld driften die Elektronen zur n-Seite, die Löcher zur pSeite - es entsteht ein meßbarer Strom.
Das gemessene Signal ist proportional zur Ionisation.
Elektron-Loch-Paare spielen also die Rolle von Elektron-Ionen-Paaren in
Gasdetektoren.
Die zur Ionisation nötige Energie ist aber ca. 10 mal kleiner als für
Gasionisation. Dadurch wird bessere Auflösung als in Gasdetektoren
erzielt.
Silizium-Mikrostrip-Detektoren
Diese werden als Präzisionstracker benützt. Sehr gute Auflösung, bis zu
5mm (durch “Charge Division”).
Rauminformation durch Segmentierung der p-Schicht -> einseitiger
Mikrostripdetektor. Doppelseitige durch zusätzliche Segmentierung der
n-Schicht.
Silizium-Mikrostrip-Detektoren
Zwei 15x15 cm2 Silizium-Mikrostrip-Detektoren mit Auslesechip
(CMS-Experiment)
Silizium-Mikrostrip-Detektoren
Tracker des DELPHI-Experiments
Silizium-Mikrostrip-Detektor als Vertexdetektor
Ereignis im
DELPHI-Vertexdetektor
1.2 M Zellen
Hitauflösung
10 mm im Barrel
0.0
7.5 cm
Silizium-Pixel-Detektoren
• Diodenmatrix aus Silizium
• Ausleseelektronik mit gleicher Geometrie
• Verbindung durch Bump Bonding
• Als Präzisionsvertexdetektoren verwendet
100 mm
50 mm
16x24 Pixel-Matrix (BELLE)
Impulsmessung
Der Impuls wurd durch Messung der gekrümmten Bahnen geladener
Teilchen im Magnetfeld festgestellt -> Spektrometer. Bei Collidern um den
Wechselwirkungspunkt angeordnet.
• Dipol
Feldlinien normal zur
Strahlrichtung. Beste
Impulsauflösung für Teilchen
in Vorwärtsrichtung. Oft in
Fixed Target Experimenten.
Dipol
• Solenoid
Feldlinien parallel zur
Strahlrichtung. Beste
Impulsauflösung für Teilchen
in normal zur Strahlrichtung.
Solenoid
Magnetfeldkonfigurationen von
ATLAS und CMS
ATLAS
Toroide + zentrales Solenoid
CMS
langes Solenoid
ATLAS-Detektor
A Toroidal LHC Apparatus
CMS-Detektor
Compact Muon Solenoid
Energiemessung
Kalorimeter messen Energie und Position.
Prinzip: totale Absorption. Messung von geladenen und neutralen
Teilchen möglich. Während der Absorption tritt das Teilchen mit dem
Absorbermaterial in Wechselwirkung, erzeugt Sekundärteilchen, die
weitere Teilchen erzeugen -> Kaskade (Schauer). Deshalb heißen
Kalorimeter auch Schauerzähler.
Der Schauer entwickelt sich hauptsächlich in Längsrichtung. Kleinere
transversale Komponente durch Vielfachstreuung und Transversalimpulskomponenten der erzeugten Teilchen.
L
q0 = qRMS = <q2>1/2 , rRMS = Lq0
13.6 MeV
q0 = _____________ z √ L/X0 {1+0.038 ln(L/X0)}
bcp
Q
r
X0 … Strahlungslänge
z …. Ladung
Energiemessung
Kalorimeter sind zum Nachweis hochenergetischer Teilchen besonders
geeignet. Der Absorptionsprozeß ist ein statistischer Prozeß, deshalb gilt
bei hohen Energien:
DE
1
_____
~ ___
E
√E
Es gibt 2 Grundtypen von Kalorimetern:
homogene und Sandwichkalorimeter
Homogene Kalorimeter
Absorber und Detektor in einem, z.B. Bleiglas. Nur elektromagn. Kal.
Sandwichkalorimeter
Absorber (Pb, Fe, Cu, …) und Detektor (Szintillator, …) in
abwechselnden Schichten (“Sampling-Kalorimeter”).
Kalorimeter dienen normalerweise zum Nachweis von nur einer
Teilchenart (e/g, Hadronen). Eigenschaften von elektromagnetischen und
hadronischen Schauern sind nicht gleich.
Elektromagnetische Schauer
Hochenergetische e+/e-: Energieverlust hautpsächlich durch Bremsstrahlung. Hochenergetische Photonen: Energieverlust hauptsächlich durch
Paarerzeugung. Es entsteht eine Kaskade von e+/e--Paaren und Photonen,
bis die Energien der Sekundärelektronen unter die kritische Energie Ec
fallen, bei der Ionisationsverluste gleich den Bremsstrahlungsverlusten
werden (Ec ≈ 600 MeV/Z).
Transversale Ausdehnung eines elektromagnetischen Schauers (95% des
Schauerkonus ist in einem Zylinder mit Radius 2 RM enthalten)
(“Molière-Radius”):
E
RM = X0 ___s
Ec
Es … mec2 √ 4 p/a = 21.2 MeV
z.B. Bleiglas: RM = 1.8 cm, X0 = 3.6 cm
Longitudinale Entwicklung eines
elektromagnetischen Schauers
Einfaches Modell: Jedes e mit E > Ec (Anfangsenergie E0 , E0 >> Ec) gibt nach 1 X0
die Hälfte seiner Energie an ein Bremsstrahlungsphoton ab, jedes Photon mit Eg >
Ec gibt nach 1 X0 seine Energie durch Erzeugung eines e+/e- - Paares ab. Elektronen
mit E < Ec strahlen nicht mehr und verlieren den Rest ihrer Energie durch
Kollisionen.
g
e-
g
e-
e+
e-
eg
g
e+
g
ee+
e-
t=0
1
2
4
Strahlungslängen
e-
Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers
Nach t Strahlungslängen ca. 2t Teilchen im Schauer.
Mittlere Energie der e/g:
Et (t) =
E0
____
2t
Die Schauerentwicklung hört auf, wenn E(t) = Ec.
tmax = t (Ec) =
ln (E0/Ec)
____________
ln 2
Elektromagnetischer Schauer in Nebelkammer
Elektromagnetische Kalorimeter
Typische Längenausdehnung: für 30 GeV Teilchen --> mehr als 20 X0 .
Energieauflösung:
s(E)
_______
E
=
a
___
√E
+ b +
c
__
E
a …
Stochastischer Term; a ≈ (2 … 15)%
b … Konstanter Term (Inhomogenitäten, Interzellkalibration,
Nichtlinearitäten) -> dominiert bei hohen Energien; b ≈ (0.5 … 5) %
c …
Noiseterm (Elektronisches Rauschen, Radioaktivität, Pile-up)
Die räumliche und die Winkelauflösung zeigen auch ein 1/√ E - Verhalten.
Hadronische Schauer
Qualitativ ähnlich den em. Schauern, jedoch treten komplexere (inelastische)
Prozesse auf. Mehr Fluktuationen -> schlechtere Energieauflösung als für em.
Kalorimeter. Typisch: a ≈ (50 … 100)%, b ≈ (4 … 10)%.
Die Größe des Schauers ist definiert durch die Absorptionslänge la. Diese ist immer
größer als X0 -> Hadronkalorimeter sind immer dicker als em. Kalorimeter.
Typische Dicken: 10 la und mehr. Verlust durch Kernanregung, “Leakage” von
Zerfallsmüonen und Neutrinos aus dem Kalorimeter -> sichtbare Energie 20 bis
30% kleiner als für Elektronen -> Nichtlinearität! Kompensation kann man jedoch
durch geschickte Anordnung der Samples und andere Methoden erreichen.
Teilchenidentifikation
Unterscheidung von p/K, K/p, e/p, g/p0, ...
Kalorimeter, Müondetektoren, Vertexdetektoren …
Methoden hängen sehr vom interessanten Energiebereich ab. Möglich
sind die gleichzeitige Messung von dE/dx und p, Flugzeit, die Verwendung
von Cerenkovlicht sowie Übergangsstrahlung.
dE/dx-Messung
Gleichzeitige Messung von p und dE/dx definiert die Masse und somit die
Identität eines Teilchens.
p = mbg
1
dE/dx ~ ___2 ln (b2g2)
b
dE/dx-Messung
e
}
m
p/K - Trennung erfordert
dE/dx-Auflösung von
< 2.5%!
p
K
p
Mittlerer Energieverlust für e, m, p, K, p in 80/20 Ar/CH4
dE/dx im DELPHI-Mikrovertexdetektor
p
K
p
Monte-Carlo
e
Daten
Flugzeitzähler (Time of Flight Counter)
L 1 1
Lc
Dt = __ ( __ - __ ) ≈ ____2 (m12 - m22)
c b1 b2
2p
Dt für Weglänge von L = 1m
Szintillator mit st = 300 ps
p/K-Trennung bis 1 GeV
Limitiert auf Teilchen mit Impulsen kleiner als wenige GeV.
Cerenkovzähler
Beim Durchgang eines geladenen Teilchens mit Geschwindigkeit v durch ein
Medium mit Brechnungsindex n werden angeregte Atome in der Nähe des
Teilchens polarisiert. Ist v > c/n, erscheint ein Teil der Anregungsenergie als
kohärente Strahlung, die in einem typischen Winkel q zur Bewegungsrichtung
auftritt. Eine Bestimmung von q liefert ein direktes Maß für die
Geschwindigkeit. Im Vergleich zu einem typischen Szintillator (104/cm2)
werden wenige Photonen emittiert. Deshalb sind Cerenkovzähler mehrere m
lang.
v > c/n
bn > 1
1
cos q = ____
bn
ct/n q
bct
q
Cerenkovzähler
Cerenkovzähler werden in 2 Betriebsarten verwendet:
1) Schwellenmodus (“Threshold mode”)
Zum Nachweis von Teilchen, deren Geschwindigkeit einen gewissen Wert
überschreitet. q wird nicht explizit gemessen.
Annahme: 2 Teilchen mit b1 und b2 sind bei einem gegebenen Impuls p
zu unterscheiden. In einem geeigneten Medium, in dem b1n > 1 ≥ b2n ist,
erzeugt Teilchen 1 Cerenkovstrahlung, Teilchen 2 jedoch nicht. g, bei
dem das Teilchen Cerenkovlicht zu erzeugen beginnt: gSchwelle = E/mc2
Medium
n-1
Photonen/cm
gSchwelle
___________________________________________________________________________________________
He
3.5 . 10-5
0.03
120
CO2
4.1 . 10-4
0.4
35
Silikagel
0.025-0.075
24-66
4.6-2.7
Wasser
0.33
213
1.52
Glas
0.46-0.75
261-331
1.37-1.22
Teilchenunterscheidung funktioniert bis ca. 30 GeV/c.
Cerenkovzähler
2) Differentieller Modus (Fokussiermodus)
Hier wird der Winkel q durch ein Spiegelsystem gemessen. Wenn alle Teilchen in
dieselbe Richtung fliegen, kann der Kegel des Cerenkovlichts auf eine
Schlitzblende fokussiert werden und mit einem PM ausgelesen werden. Man
kann den gewünschten Geschwindigkeitsbereich entweder durch Adjustierung
der Blende auswählen oder den Brechungsindex durch Veränderung des Druckes
oder der Zusammensetzung des Gases verändern.
Blende
Prisma
sphärischer
Spiegel
zu PM’s
q
Medium
Cerenkovzähler
Wenn Teilchen nicht parallel zu einer fixen Achse fliegen, muß man einen RICH
(Ring Imaging Cerenkov Counter) verwenden. In manchen ColliderExperimenten verwendet. q wird durch Schnitt des Cerenkovkegels mit einer
photosensitiven Ebene bestimmt.
Cerenkovmedium
Spiegel
DELPHI-RICH
Ein RICH mit 2 Medien erlaubt p/K/p-Trennung von 0.7 bis 45 GeV
z.B. in DELPHI und SLD
DELPHI-RICH
2 Teilchen in einem Hadronjet aus einem Z-Zerfall im gasförmigen und flüssigen
Cerenkov-Medium.
p/K - Hypothese
Übergangsstrahlung
Für sehr hohe Energien (g ≥ 1000). Übergangsstrahlung tritt auf, wenn geladene
Teilchen durch Schichten mit verschiedenen dielektrischen Eigenschaften
durchgehen. Die Intensität der emittierten Strahlung (im optischen und im
Röntgenbereich) reflektiert die Teilchenenergie E = mgc2, nicht die
Geschwindigkeit.
Besonders benützt zur Elektronidentifikation (z.B. bei H1 am DESY, D0 am
Fermilab oder ATLAS am CERN). Unterscheidung von p möglich ab p > 1 GeV.
Ein Röntgenquantum wird nur mit Wahrscheinlichkeit 1% pro Übergang
emittiert -> mehrere 100 Übergänge in der Praxis, z.B. Li oder Plastikfolien in
Gas.
ATLAS TRT-Prototyp
(Transition Radiation Tracker)