Hadronen-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien TeVatron

Hadronen-Kollider-Experimente bei sehr
hohen Energien
TeVatron
Seminarvortrag Wintersemester 2006/2007
Klaus Weidenhaupt
Betreuer: Dr. Steffen Kappler
Übersicht
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TeVatron
- Beschleunigerkette und Teilchenquellen
- Betrieb und Leistung eines Speicherrings
- Methoden zur Leistungsoptimierung am Tevatron
Experimente am TeVatron
- DØ-Experiment
- Aufbau und Funktion der einzelnen
Detektorkomponenten
- Zusammenspiel der Detektorkomponenten
- CDF-Experiment
Fermilab
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Fermilab:
Batavia / Illinois / USA
TeVatron:
Inbetriebnahme 1983
Derzeit grösster
Hadronenbeschleuniger mit
1.96TeV Schwerpunksenergie
in p-Anti-p-Kollisionen
Entdeckungen:
- Bottom-Quark 1977
(Fermilab E70/E288/E494)
- Top-Quark
1995
(CDF und DØ)
Beschleunigerkette am Fermilab
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H-Ionen in Cockroft-Walton
Generator → 750 keV
Linac 150m → 400 MeV
Booster (Syncrotron 75m Ø)
→ 8 GeV
Main Injektor (1km Ø)
→ 120 bzw 150 GeV
TeVatron (2km Ø)
→ 980 GeV
Protonenquelle
Cockraft-Walton-Generator
Linac
Antiprotonenquelle
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120GeV Protonen auf
Fixed-Target (Nickel)
Anti-p aus statistischen
See-Quark-Reaktionen
(ca.20 Anti-p pro 10^6 p)
Separation
Focussierung
Akkumulation (15-20h für
5x10^10 Anti-p)
Nickel-Target
Speicherringe am Fermilab
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Speicherringe:
- Booster
- Recycler
- TeVatron
Komponenten:
- Beschleunigung durch E-M-Wellen in
supraleitenden Cavitys
- Ablenken durch Dipolmagnete
- Focussierung durch Quadrupolmagnete
Magnete am TeVatron
Supraleiter: NiTi
Kühlung: 10K mit flüssigem
Helium
TeVatron sc Dipol
Querschnitt TeVatron Dipol/Quadrupol
Betrieb
Ablauf:
- Befüllen des Rings mit Bunches aus Vorbeschleunigern
- Beschleunigen
- Speichern und Kollidieren der Bunches
→ Store (ca.7h)
Strahlparameter am TeVatron
Bunch Spacing :132 ns
Bunchlänge :  z =37 cm
Strahlradius :  x , y =39  m für Protonen
 x , y =31  m für Antiprotonen
 t=132 ns
Strahlführung
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Focussierung durch Quadrupolmagnete
(Strahloptik)
Periodische Quadrupole bewirken
Oszillationen um Sollbahn
→ Betatron-Schwingungen
Lösung der “Bahn-DGL”:
x  s=    scos   s
d
mit   s=∫
 
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Betafunktion β aus Strahloptik
Emittanz ε ist Konstante für ein
Teilchen und abhängig vom
Anfangszustand
Maß für die Abweichung von der
Sollbahn in Ort und Impuls
Luminosität
dN p
dt
=L p
L=
L=
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Characteristische Grösse für die
Leistungsfähigkeit eines
Speicherrings
Hohe Luminosität:
- kleine Strahlquerschnitte am
WW-Punkt (kleine Emittanz)
- grosse Strahlströme
Focussierung vor den
Experimenten
n B f rev N p N Anti − p
4xy
n B f rev N p N Anti − p
4  x x  y  y
p
=Wirkungsquerschnitt einer Reaktion p
nB
= Anzahl der Bunches
f rev
=Umlauffrequenz
Np
= Anzahl der Protonen pro Bunch
N Anti − p = Anzahl der Antiprotonen pro Bunch
 x , y =Strahlquerschnitt x , y−Richtung
 x , y =Emittanz x , y
 x , y =Batafunktion x , y
Luminosität
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Luminosity Lifetime (L/2 in 7h)
- Anti-p gehen verloren
- Streung im Strahl, Syncrotronst.
- Stösse mit Restgasmolekülen
Luminosität
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Grösstes Problem:
ca. 10 mal weniger Anti-p
Steigerung der Luminosität durch:
- Recycling der Anti-p
(70% aus TeVatron)
- mehr Bunches
(6x6 → 36x36 → 140x121)
- aktive Emittanzkontrolle
(stochastische Kühlung)
Luminosität der letzten 5 Jahre
Stochastische Kühlung
Electron Cooling
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Emittanz wird durch WW
im Strahl grösser
Kompensation durch
gleichschnellen kalten
e-bunch
Coulomb Streuung bewirkt
Energieaustausch wie in
Plasmen
Bunch to Bunch Korrektur
durch Variation des
Elektronen-Strahlstromes
Fermilab
DØ-Detektor
Komponenten
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Tracking System
Liquid Argon
Kalorimeter
Muon Detektor
Tracking System
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Sillizium Streifendetektor
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Central Fibre Tracker
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Solenoid Magnet
Silicon Microstrip Tracker
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Halbleiterdetektor: Aufbau aus
Silliziumstreifendetektoren
grosser WW-Bereich  z =25 cm
möglichst senkrechter Einfall
→ Barrel-Disk-Struktur
Central Fiber Tracker
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Scintillierende orgarnische Fasern:
dotiertes Polystyrol 835μm Ø
Aufbau auf 8 konzentrischen Zylindern
jeweils 2 Lagen axial, 2 Lagen 3° stereo
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Auslese über Lichtleiter in VLPC´s
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Auflösung: 100μm pro Doppellaage
Solenoid Magnet
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2 Schichtige Wicklung
aus supraleitendem
NiTi in Al
Wicklungsdichte wird
an den Enden grösser
→ homogenes B-Feld
Kühlung auf 10K mit
Helium
B-Feld: 2T bei 4800A
Liquid Argon Kalorimeter
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präzise Energiemessung
Transversalimpulsbilanz
Samplingkalorimeter
Absorber:
Uran, Kupfer, Stahl
aktives Medium:
flüssiges Argon 90K
unterschiedliches Ansprechen auf
Hadronen und E-M-Schauer
(Kernbindungen, neutrale
Teilchen) → Kompensation durch
Uranabsorber
Liquid Argon Kalorimeter
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Aufteilung in
- E-M-Kalorimeter
- feines und grobes hadronisches
Kalorimeter
Segmentierung nach
Pseudorapiditäten

=−ln tan
2
⋅=0,1⋅0,1
entsprechend Schauerbreite
(E-M: 1-2cm, hadronisch: 10cm )
Preshower Detektor
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Kombination aus Spurdetektor und
Kalorimeter
Aufgabe: - Bindeglied zwischen Tracks
und Schauern
Aufbau: - 2-3 Lagen scintillierende
Fasern mit Absorbern (Pb)
24° stereo
Myon System
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Spurmessung:
Proportional Drift Tubes (PDT´s)
Mini Drift Tubes (MDT´s)
Scintillation Counters
Messung von Impuls und Ladung:
Toroid Magnet
Impulsauflösung: 10 - 50%
Myon System
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Scintillation Counters:
Zeit des Teilchendurchganges
PDT´s:
Aluröhren mit Ar-Gemisch
Driftzeitmessung max 500ns
(Durchgangszeit durch Scintillatoren
bekannt)
→ Radialauflösung: 3mm
Kathode längs Segmentiert
MDT´s:
Aluprofil mit CF4-Gemisch
kürzere Driftzeiten 40 - 60ns
bessere Ortsauflösung: 0,7mm
Myon System
Detektor Performance
Tracking System
Vertexauflösung : 35  m
z−Richtung
15  m
x , y−Richtung
 pT
Impulsauflösung :
=0.14 %⋅pT [GeV ]1.5 %
pT
Kalorimeter
Energieauflösung elektromagnetisch :
Energieauflösung hadronisch :
  E  14 %
=
1 %
E
 E [GeV ]
  E  50 %
=
4 %
E
 E [Gev ]
Myon System
Impulsauflösung :
p
=18 %0.2 p [GeV ]
p
Eventdisplay
x-y view
R-z view
Trigger
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Bunch Crossing Rate: 2,5 Mhz
2-3 harte WW pro Bunch Crossing
Reduzierung in 3 Stufen auf 50Hz
Level1: (hardware)
z – triggering
Transversalenergie
Level2: Verbinden von
Detektorkomponenten
und Tracks
Level3: Alle Detektorsignale →
Vorrekonstruktion des Events
Offline Rekonstruktion mit
CPU-Intensiven Algorithmen →
Teilchenidentifikation
Anpassen der Triggerliste
Fermilab
CDF
Zusammenfassung
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TeVatron
- Aufbau als Beschleunigerkette
- Leistung durch Luminosität gegeben
- Aktive Emittanzkontrolle zum Aufrechterhalten der
Luminosität notwendig
Experimente am TeVatron
- DØ-Experiment
- Aufbau und Funktion der einzelnen
Detektorkomponenten
- Zusammenspiel der Detektorkomponenten
- CDF-Experiment
Zusammenspiel von Beschleuniger und Detektor liefert neue
Physik