Nachweis von Elementarteilchen in Teilchendetektoren

Nachweis von Elementarteilchen in
Teilchendetektoren
Seminarvortrag
gehalten von
Ulrich Jansen
am
physikalischen Institut der RWTH Aachen
im
Sommersemester 2005
Überblick
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Der Vortrag orientiert sich am CMS-Detektor
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Wechelwirkung von Teilchen mit Materie
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Die einzelnen Detektorsyteme des CMS
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Vertex-Detektor
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Spurdetektor (Silizium Halbleiterdetektor)
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Kalorimeter (ECAL und HCAL)
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Myonenkammern (RPC, DT)
Kombination der Daten → Messergebnis
CMS - Informationen
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2300 Mitarbeiter an 159 Instituten aus 36 Ländern
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Teil des LHC-Experiments
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Entwickelt zur Erforschung neuer Physik bei 14TeV pp-Kollisionen
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1 Bunch mit 1011 Teilchen alle 25ns
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109 Wechselwirkungen pro Sekunde → Trigger
→ Reduktion auf 100 Ereignisse/s → HDD
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Geplante Fertigstellung Frühjahr 2007 (zusammen mit LHC)
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Geplante Laufzeit 10 Jahre
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Magnetfeld 4T zur Impulsmessung
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∅ 15m, Länge 21.6m, Gewicht 12500t
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Hauptziele: Higgs, neue Physik
CMS - Standort
Quelle: CMS-Brochure 2003 http://cmsinfo.cern.ch
CMS - Querschnitt
Quelle: http://cmsinfo.cern.ch
CMS - Querschnitt
Quelle: http://cmsinfo.cern.ch
Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
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Geladene Teilchen:
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Ionisation / Anregung
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Bremstrahlung
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Kernwechselwirkungen (bei hadronischen Teilchen)
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Szintillation
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Cherenkov- und Übergangsstrahlung
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Weitere Effekte
Photonen:
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Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarerzeugung
sprich: Erzeugung von geladenen Teilchen → Nachweis
Ungeladene Teilchen
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Erzeugen in WW-Prozessen geladene Teilchen und Photonen
→ Nachweis
Energieverlust durch Ionisation und Anregung
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Hauptsächlich WW mit Elektronen der Materie
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Anregung
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Ionisation → Knock-on- oder δ-Elektronen, Auger-Elektronen
Energieverlust wird beschrieben durch Bethe-Bloch
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Z,A Ladung, Massenzahl Target; z Ladung einfallendes Teilchen;
β,γ Geschwindikeit und Lorentzfaktor; δ,α Dichteeffekt, Masse, Ionisationsenergie
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Für Elektronen/Positronen Anpassung (Abschirmeffekte,
Gleichheit der Massen)
Energieverlust -dE/dx
Quelle: S. Eidelman et al., Phys. Lett. B 592, 1 (2004)
Energieverlust durch Bremsstrahlung
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Allgemein:
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Für Elektronen:
Mit X0 für Absorbermaterial charakteristische Strahlungslänge
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Gesamtenergieverlust ist gaussverteilt (für dicke Absorber)
Für dünne Absorber → Landaufluktuationen
Weitere Energieverluste: Vielfachstreuung (→Moliere), Photonukleare
WW, Szintillation, Cherenkovstrahlung, Übergangsstrahlung
Der Gesammtenergieverlust dE/dx setzt sich additiv aus allen
Verlustmechanismen zusammen
Szintillation
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Anorganische Materialien (dotierte Einkristalle)
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Dotierung mit Thalium (Tl) oder Cerium (Ce) → Szintillation
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Vorteil: Hohe Dichte → hohe Energieabsorbtion, Viele Photonen →
sehr genaue Messungen
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Nachteil: Hohe Abklingzeit: NaI(Tl) ~ 250ns
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Beim CMS PbWO4: kurzes X0 und geringes RM, moderate
Lichtausbeute ~0.1% NaI(Tl)
Organische Stoffe
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Anregung von Molekühlschwingungen und Vibrationen → UVLicht
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Abklingzeit im ns-Bereich
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Emission von UV-Licht, das das Materlial nicht durchdringen
kann → Wellenlängenschieber (Fluoreszenz)
Cherenkov-Strahlung
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Tritt auf, wenn Geschwindigkeit v eines
Teilchens in Materie größer ist, als die
Lichtgeschwindigkeit dort
Geladene Teilchen polarisieren Atome
entlang der Bahn → Bildung von
zeitabhängigen Dipolen
Bei v < c/n: Dipole symmetrich
→ resultierendes Feld = 0
Bei v > c/n: Dipole asymmetrisch
→ resultierendes Feld ≠ 0
Emission um einen β-abhängigen Winkel ΘC
→ Cherenkov-Ringe → Bestimmung von β
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Emission erst ab Schwellenenergie
Quelle: Grupen, - C. Teilchendetektoren
Übergangsstrahlung
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Tritt auf beim Übergang geladener Teilchen zwischen Stoffen mit
unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften
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Vakuum (Luft) → Materie: Bildung eines zeitabhängigen Dipols
mit der Spiegelladung
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Grenzflächen: D-Feld-Vektor ändert sich, E-Feld-Vektor bleibt
konstant
Abgestrahlte Energie ist proportional zum Lorentzfaktor γ
→ Interessant, da β−unabhängig und β bei hohen Energien nahe 1
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Abgestrahlte Photonen liegen im Röntgenbereich
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Energieverlust durch Übergangsstrahlung ist vernachlässigbar
Wechselwirkungen von Photonen
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Photoeffekt Eγ ≤ 100keV
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Compton-Effekt 100keV ≤ Eγ ≤ 1MeV
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Wirkungsquerschnitt:
Paarerzeugung Eγ ≥ 1MeV
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Wirkungsquerschnitt:
Wirkungsquerschnitt:
Absorbtionsgesetz
Quelle: Grupen, C.: Teilchendetektoren
CMS - Querschnitt
Quelle: http://cmsinfo.cern.ch
Halbleiterzähler
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Ausnutzen der Bandlücke in
Halbleitern
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Halbleiter können aufgrund
hoher Dichte in dünnen
Schichten ausreichende
Energien absorbieren
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Zum „Zählen“ der Ladungen
muss der Halbleiterzähler in
Sperrrichtung geschaltet
werden
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Wegen der kleinen Bandlücke
(0.5-1.5eV) ist die Energieauflösung 10-50mal höher als bei
Gasdetektoren (10-15eV Ionisationsenergie)
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Sammelzeiten für die Ladungen liegen typischerweise bei 30ns
für eine 300µm dicke Diode
Spurdetektor – Central Tracker
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Pixeldetektor in 3 Schichten um den Wechselwirkungspunkt an den
Radien 4.3, 7.2 und 10 bis 11cm, Auflösung 15µ in z und ϕ,
Gesamtfläche 0.8m2, 50M Pixel → 3 hochaufgelöste Raumpunkte nahe
am WW-Punkt
Central Tracker: Silizium-Streifen-Detektor,
Impuls-Auflösung (zusammen mit 4T B-Feld):
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10 konzentrische Schichten von 20 bis 110cm
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10M Kanäle auf einer aktiven Fläche von 200m2
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Besondere Anforderungen: Hohe Neutronenstrahlung
(1.6∙1014/cm2 1MeV äquivalent in 10 Jahren)
CMS - Querschnitt
Quelle: http://cmsinfo.cern.ch
Elektromagnetisches Kalorimeter
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Ziel ist die Erfassung der gesamten Energie von Photonen und
Elektronen
Teilchen wechselwirken mit dem Material → Kaskade aus WWTeilchen
Die transversale Ausdehnung der Kaskade wird durch
Vielfachstreuung hervorgerufen und fällt relativ zur longitudinalen
Ausdehnung sehr klein aus – Sie wird charakterisiert durch den
Moliere-Radius RM
Materialien mit kurzer Strahlungslänge X0 und geringem MoliereRadius RM
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Bei hohen Energien Paarerzeugung, bis Energie unterkritisch
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Danach: Streueffekte → Schauer stirbt aus
CMS - ECAL
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Das ECAL nimmt die Radien 110 bis 148cm ein
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Energiemessung durch Szintillation in etwa 75000 PbWO4-Kristallen
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Die Ausdehnung entspricht 26X0, RM=2.2cm
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Energieauflösung
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Nachteile von PbWO4:
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Geringe Lichtausbeute (etwa 100Photonen/MeV ≅ 0.1% NaI(Tl))
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Hohe Temperaturempfindlichkeit
Hadronische Kalorimeter
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Ziel: Messung der Energie hadronischer Teilchen und Jets
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WW sind im wesentlichen Kern-WW
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Aufgrund der Vielfachstreuung ist die laterale Ausdehnung der
Schauer wesentlich größer als in elektromagnetischen Kalorimetern
Die longitudinale Ausdehnung wird durch die Absorbtionslänge λa
gekennzeichnet und ist wesentlich größer als X0
→ Sampling-Kalorimeter: Schichtsystem aus schweren Materialien, in
denen die WW-Prozesse stattfinden und Instrumenten zur
Energiemessung
→ Hadronische Kalorimeter können nicht die gesamte Energie eines
Hadrons (oder Jets) messen
CMS - HCAL
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Das HCAL liegt im Inner Barrel von 181 bis 295cm
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Die Ausdehnung entspricht 5.15λa
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Sampling-Kalorimeter aus 5cm dicken Messing-Platten, unterbrochen
von Plastik-Szintillatoren und Wellenlängenschiebern
Zusammen mit dem ECAL ergibt sich eine Energieauflösung von
über einen Bereich von 30GeV bis 1TeV
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Der innere Teil des HCAL wiegt 51.4t
Das HCAL
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Durch Lichtleiter wird das Szintillationslicht ggf.
Wellenlängenverschoben durch totalreflektion (adiabatische
Lichtleiter) zu Photomultipliern geleitet, die dann das Messsignal
liefern.
Quelle: CMS HCAL Collaboration http://cmsinfo.cern.ch
CMS - Querschnitt
Quelle: http://cmsinfo.cern.ch
CMS – Der Äußere Teil
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Die inneren Systeme sind von einer 5000t schweren Supraleitenden
Spule umgeben
Im inneren homogenes Magnetfeld mit Feldstärke 4T
Zurückgeführt wird das Magnetfeld über ein 4-teiliges Eisenjoch,
Gesamtgewicht: 7000t, Feldstärke des äußeren Magnetfelds: 2T
In den Zwischenräumen des Eisenjochs liegen 4 Myonenkammern, zu
jeweils 6 Schichten Drift-Tubes (DT) und Resistive Plate Chambers
(RPC) an den Kappen des CMS kommen Cathode Strip Chambers
(CSC) zum Einsatz → Gasdetekotren
Die Ortsauflösung des Myonensystems beträgt 150µm in z- und
100µm in r-,ϕ-Richtung
Die Impulsauflösung beträgt 10% für 100GeV/c Myonen, kombiniert
mit dem Tracker erhält man jedoch 2% Auflösung
Ionisationsmessung in Gasen
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Messung der Ionisation über
Gasverstärkung
Im Proportionalitätsbereich ist das
Signal proportional zum
Energieverlust durch Ionisation
Durch Stromteilungsmethode lässt
sich der Ort des
Teilchendurchgangs längs des
Drahts bestimmen
→ Genauigkeit: etwa 1%
Drahtlänge
Quelle: Grupen, C.: Teilchendetektoren
Durch Messen der Driftzeit lässt
sich der Abstand vom Draht
bestimmen
Quelle: Google Bildersuche - http://saphir.physik.uni-bonn.de
Quelle: Grupen, C.: Teilchendetektoren
Vieldrahtkammern
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Ebene Anordnung von vielen
Anoden- und Kathodendrähten
in Kammern
→ bessere Ortsauflösung
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Miniaturisierung dieses
Prinzips durch Aufdampfen von
Anoden und Kathoden als
Streifen zu
Mikrostreifengasdetektoren
Driftkammern und Drift Tubes
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Durch Erfassung der Driftzeit
und mit Hilfe der Stromteilungsmethode ist eine sehr gute
Ortsauflösung möglich
Nachteil: Ein einzelner
gerisserner Draht würde den
Feldlinienverlauf in weiten
Teilen der Kammer beeinflussen
und große Teile der Messergebnisse unbrauchbar machen
Lösung: Abschirmen der Drähte
in Tubes aus Plexiglas, beschichtet
mit einer Mylar-Folie
→ Drift-Tubes
Resistive Plate Chambers
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Platten mit sehr hohem elektrischen
Widerstand werden sehr nahe
aneinander gebracht und unter Hochspannung gelegt
Beim Teilchendurchgang findet Gasverstärkung statt, die sofort abstirbt,
da der Kondensator sich dort lokal
entläd (Durchschlag)
Aufgrund des geringen Abstandes und
der sehr schnellen Entladung ist eine
enorm präzise Zeitmessung möglich
(Größenordnung 1ns)
Durch Segmentierung der Platten lässt sich eine Ortsauflösung in der
Größenordnung 1cm erreichen
Die primäre Aufgabe ist das Trigger-Signal für die Drift Tubes zu
liefern
CMS - Querschnitt
Quelle: http://cmsinfo.cern.ch
Zusammenfassung
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Wechselwirkungen von geladenen Teilchen und
Photonen mit Materie
Anregung, Ionisation, Brems-, Cherenkov-, Übergangsstrahlung,
Poto-, Comptoneffekt, Paarerzeugung, Szintillation
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Halbleiterzähler
Vertex- und Spurdetektoren (Siliziumstreifendetektor)
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Elektromagnetische Kalorimeter
Strahlungslänge, Moliere-Radius
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Hadronische Kalorimeter
Absorbtionslänge, Vielfachstreuung, Sampling-Kalorimeter
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Gasdetektoren (DT, RPC)
Gasverstärkung, Elektronendrift, Stromteilung