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Teilchendetektoren am
TeVATRON und LHC
12.12.2006
Stefan Maier
Überblick
• Relevante Wechselwirkungen zwischen Detektormaterie und
- schweren geladenen Teilchen
- leichten geladenen Teilchen
- Photonen
- überwiegend hadronisch wechselwirkende Teilchen
• Messung von Impuls, Ort und Energie
• geeignete Teilchendetektoren für diese Messungen
• Teilchendetektoren am LHC und TeVATRON
Wechselwirkung von geladenen
schweren Teilchen mit Materie
Die Energieverlustrate (Energieverlust pro Weglänge) eines
Teilchens durch Ionisation und Anregung wird durch die
Bethe-Bloch-Formel beschrieben:
dE 4πz 2 e 4 ρA0 Z
−
=
dx
me β 2 c 2 A
⎡ ⎛ 2me c 2 β 2γ 2 ⎞
δ⎤
2
⎟⎟ − β − ⎥
⎢ln⎜⎜
2⎦
I
⎠
⎣ ⎝
z e Ladung des Teilchens
ρ spez. Dichte des Mediums
A0 Avogadro-Zahl
Z,A Kernladungs-, Massenzahl des Mediums
I mittleres Ionisationspotential
δ Dichtekorrektur
Wechselwirkung von geladenen
schweren Teilchen mit Materie
- Teilchenidentifikation mit Teilchenimpuls möglich
- Energie für ein Elektron-Ion-Paar:
Si 3,6eV
Gase 30eV
Argon-Methan bei 4bar
Wechselwirkung von Elektronen/
Positronen mit Materie
Bei Elektronen/Positronen treten zusätzlich Bremsstrahlungseffekte
Proportional zur Energie auf:
−
dE
∝ E ⇒ E = E0 e
dx
−x
X0
X0 Strahlungslänge
E0 Energie vor Materieeintritt
Kritische Energie Ec:
Energieverlust von Ionisation und
Bremsstrahlung ist gleich groß
Wechselwirkung von Elektronen/
Positronen mit Materie
Bei hohen Energien tritt Paarerzeugung durch die
Bremsstrahlungsphotonabsorption auf
⇒ e± Paare erzeugen weitere Bremsstrahlung
⇒ Ausbildung eines Schauers
Bei schweren Teilchen spielen
Bremsstrahlung und
Paarerzeugung keine Rolle (bei
Myon erst ab ca. 1TeV)
Wechselwirkung von
Photonen mit Materie
Drei Prozesse tragen zur Photonabsorption bei:
- Photoeffekt für E<1MeV
Photon wird von einem (gebundenen) Elektron
absorbiert, wobei das Elektron aus dem Atomoder Gitterverband herausgeschlagen wird.
- Comptoneffekt für E=1…2MeV
Inkohärente Streuung eines Photons an einem
quasifreien Elektron
- Paarbildung für E>2MeV
Tritt Ab einer Photonenergie von
E=2mec2 =1,022MeV auf
Hadronische Wechselwirkung
- starke Wechselwirkung von Hadronen mit Materie
- teilweise inelastische Reaktionen, bei denen weitere stark
wechselwirkende Teilchen erzeugt werden
⇒ Ausbildung eines Schauers
ca. 50% der Energie wird an
Sekundärteilchen abgegeben
Pionen => elektromagnetische
Komponente
−x
N = N 0e λ
λ Mittlere Absorptionslänge
Schauerbeschreibung
Elektromagnetische Schauer:
- longitudinale Ausdehnung bestimmt durch X0
- laterale Ausdehnung bestimmt durch Vielfachstreuung
Hadronische Schauer:
- longitudinale Ausdehnung bestimmt durch λ
- laterale Ausdehnung bestimmt durch Sekundärteilchenimpuls
Impulsmessung
Geladene Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt. Impulsmessung mit
Spurvermessung möglich
p = e⋅ B⋅ R
e,p Teilchenladung, -impuls
R Krümmungsradius des Teilchens im
Magnetfeld B
Messunsicherheiten durch Ortsmessfehler und Vielfachstreuung:
σ x pt
dpt
=
pt 0,3BL2
720
1
+
N + 4 B LX 0
σx Ortsmessfehler
N Anzahl äquidistanter
Ortsmessungen
Magnete für Impulsmessung
Ortsmessung
Viele Möglichkeiten, um die vom Teilchen verursachte Ionisation und deren
Ort nachzuweisen.
Ortsinformation liegt entweder optisch oder elektronisch vor. Optisches Signal
muss umgewandelt werden => aufwändiger und teuerer, aber keine
Elektronik in der verstrahlten Region
Weitere wichtige Eigenschaften: Ortsauflösung, Messraten und
Nachweiswahrscheinlichkeit
Häufig verwendete Detektortypen zur Ortsmessung:
- Halbleiterdetektoren
- Streifen- und Pixeldetektoren
- Szintillationsdetektoren
- Gasdetektoren
Halbleiterdetektoren
- Halbleiter in Sperrrichtung (einige 100V)
(Vergrößerung der Verarmungszone)
- entgegengesetztes E-Feld im Inneren
beschleunigt Elektron/Loch-Paare
- mittlere Energie zur Erzeugung eines
Elektron/Loch-Paares 3,6eV für Si (ca.1/10 als für Gasdetektoren)
- Mikrostrukturierung ermöglicht einfache Ortsmessung
Streifen-und Pixeldetektoren
- Depletionsspannung zur Vergrößerung der Verarmungszone
- erzeugte Ladungspaare induzieren auf den Aluminiumstreifen einen
messbaren Ladungsimpuls
- typischer Streifenabstand p ~ 50-100μm
- 2-dim. Auslese durch orthogonalliegende n+ dotierte Streifen auf der
Rückseite möglich
-pro Pixel eine pn-Diode (isoliert)
-Jeder Pixel hat eigene Ausleseelektronik
-Elektronik beschränkt durch Pixelgröße
-Typische Pixelgröße 10-100μm
-Sehr schnell, aber enorme Anzahl von Kanälen
Experimente mit SiliziumStreifendetektoren
Strahlenschäden bei
Halbleiterdetektoren
- Strahlung verändert die
Halbleitereigenschaften
- Silizium n-bulk wird durch Strahlung p-artig
- erhöhte Depletionsspannung notwendig
- Strahlung kann auch die Ausleseelektronik
zerstören
- Minimierung der Strahlenschäden durch
Abkühlung (LHC: -10°C)
Szintillationsdetektoren
Lichtemission bei Bestrahlung mit Teilchen
Aktivatorzentren im Szintillator sorgen für langwelligeres Licht
Verstärkung mit Photomultiplier
Gasdetektoren
- einfallendes, ionisierendes Teilchen ionisiert Gas
- angelegte U verhindert Rekombination und
beschleunigt Ion/Elektron hin zu den Elektroden
- e- gewinnt an E, lawinenartige Ionisation
(Gasverstärkung)
- mittlere Energie zur e-/Ion-Paarerzeugung 30eV
- Betrieb im Proportionalbereich (Gasverstärkung
konstant)
- Signal proportional zur Ionisation
- Driftzeit ~ Driftdistanz (Ortsmessung)
t1
x = ∫ vDrift (t )dt
t0
Energiemessung
Energiemessung i.a. destruktiv, d.h. totale Energieabsorption
⇒ Teilchen steht für weitere Messungen nicht mehr zur Verfügung
⇒ Kalorimeter zur Energiemessung ist üblicherweise die letzte Messstation
- homogenen Kalorimeter
Absorbermaterial ist gleichzeitig auch Detektormaterial für Ionisation,
wobei diese durch Cerenkov- und/oder Szintillationslicht als Maß für die
Teilchenenergie gemessen wird
- Sampling-Kalorimeter
Absorbermaterial ist passiv und in Schichten angeordnet, zwischen denen
sich aktive Detektoren (Gas-, Halbleiter-, Szintillationsdetektoren) zur
Ionisationsmessung befinden
- elektromagnetische Kalorimeter: Energiemessung für Elektronen,
Positronen und Photonen
- hadronische Kalorimeter: Energiemessung für Teilchen mit hauptsächlich
hadronischen Wechselwirkungen, z.B. Proton,
Neutron, Pion, Kaon
Kalorimeter für Energiemessung
- Länge 23cm ~ 26 Strahlungslängen
macht kompakte Bauweise möglich
- Messung des Szintillationslicht mit photosensitiven Detektoren, z.B. Avalanche
Photodiode APD