Post on 11-Mar-2019
TIELCHENIDENTIFIZIERUNG
WAS IST TEILCHENIDENDIFIZIERUNG ?
Bestimmung der Masse ‘stabiler Hadronen: π, K, p in Abhängigkeit vor γL =
Flugzeitmessung
Vielfach-Energieverlustmessung Cherenkov-Detektoren Übergangsstrahlungs-Detektoren
Messung der charakteristischen Lebensdauer (Charm, Beauty, τ-Lepton) Typischer Bereich: 10-8 bis 10-13s
Kinematische Methoden Invariante Masse der Zerfallsprodukte Fehlende Energie/Impuls Kalorimetrische Schauerausbreitung von Elektronen (Photonen) vs. Hadron
-1/22 )β1( −Beruht auf Impulsmessung p=mcßγ, kombiniert mit ß oder γ Messung Diese vier Methoden werden diskutiert
FLUGZEIT- MESSUNG
• KOMBINIERTE MESSUNG von IMPULS und GESCHWINDIGKEIT revolutioniert (‘Renaissance’) durch Entwicklung hochauflösender RPCs (‘Timing’ RPCs)
Benötigt werden: σ(Zeit) ~50 ps Bis jetzt : Szintillationszähler, Neuerdings…..Timing-RPCs
130 mm active area 70 mm
M5 nylon screw to hold fishing-line spacer
honeycomb panel (10 mm thick)
external glass plates 0.55 mm thick
internal glass plates (0.4 mm thick)
connection to bring cathode signal to central read-out PCB
Honeycomb panel (10 mm thick)
PCB with cathode pickup pads
5 gas gaps of 250 micron
PCB with anode pickup pads
Cross section of double-stack MRPC - ALICE TOF
Silicon sealing compound
PCB with cathode pickup pads
Flat cable connector Differential signal sent from
strip to interface card
Mylar film (250 micron thick)
Double stack - each stack has 5 gaps
(i.e. 10 gaps in total)
250 micron gaps with spacers made of fishing line
Specifications
Resistive plates ‘off-the-shelf’ soda lime glass
400 micron internal glass 550 micron external glass
Resistive coating 5 MΩ/square
Detector consists of a stack of glass plates
DETAILS der MULTIGAP-RPCs
ZEITAUFLÖSUNG und EFFIZIENZ ALICE Time of Flight 160 m2 160,000 channels better than 100 ps time resolution
Detector : double stack MRPC - 10 gaps of 250 micron
ADC bins
ADC bins
ADC bins pedestal
Resolution (ps)
65
60
55
50
45
40 5.6 6.0 6.4 6.8
Applied differential voltage [+- kV]
5.6 6.0 6.4 6.8 Applied differential voltage [+- kV]
Efficiency [%] 100
95
90
85
80
75
n.b. Alice detector R&D ended - design frozen
Typical performance
PHYSIKBEISPIEL ANWENDUNG DER FLUGZEITMESSUNG FÜR , K-IDENTIFIZIERUNG VON CHARM ZERFÄLLE SPEAR: MARKII KOLLABORATION (1976)
π
a) a) bis c) : invariantes Masse Spektrum für beliebige Massenzuordnung der Teilchen
b) d) bis f) : gemessene Flugzeit war statistisch verwendet um Teilchenmasse zu bestimmen; eine klare Resonanz ist für den Fall πK gesehen
c) g) bis i) wie b),für drei-Körper Zerfälle
VIELFACH – ENERGIEVERLUST(VEV) MESSUNG
PRINZIP: • Ionisations – Energieverlust ist abhängig βγ • Wiederholte Messung des Energieverlustes am selben Teilchen
erlaubt Bestimmung von βγ, wenn Impuls bekannt ist PROBLMATIK (1): pro Zentimeter Gas auf Grund von Landauverteilung und
Gasverstärkungs-Fluktuationen : Energieverlust hat FBHM ~ 100% ⇒
typischerweise werden 100 bis 200 Messungen benötigt, um dE/dx mit σ < 5 % zu bestimmen
PROBLEMATIK (2) : notwendige Präzision der VEV- Messung erfordert
hohe Kontrolle der Messfehler TYPISCHER ANWENDUNGSBEREICH : begrenzt durch Fermi-Plateau auf βγ < ~ 100
VIELFACH – ENERGIEVERLUST MESSUNG
- Theorie des Ionisationsverlustes verstanden; auf Grund des Interesses an VEV Identifikation erweitert durch Einbezug der
Atomnieveaus der Gase im relativistischen Anstieg (5 bis 50 GeV/c) sind
Unterschiede im mittleren dE/dx circa 10%; signifikante Identifikation
erfordert Genauigkeit von einigen Prozent
Beispiel
• Wenn dE/ dx Auflösung von σ~ 5 % gewünscht wird (warum 5 %?), wieviele Messpunkte müssten an einer Spur vorgenommen werden?
• Welche Parameter müssen bekannt sein, um die Frage zu beantworten?
SYSTEMATISCHE EINFLÜSSE AUF ENERGIEVERLUSTMESSUNG
- UNTERSCHIEDLICHE RÄUMLICHE UND ZEITLICHE PRIMÄRE LADUNGSVERTEILUNG→RAUMLADUNGSEFFEKTE BEEINFLUSSEN SIGNALVERSTÄRKUNG REINHEIT DER ZÄHLGASE: GERINGE(10-6) VERUNREINIGUNGEN KÖNNEN VERLUST FREIER ELEKTRONEN VERURSACHEN; PROPORTIONALITÄT DER GASVERSTÄRKUNG: FÜR , NICHTLINEARITÄT (‘SATURATION’) DER GASVERSTÄRKUNG; d.h: PRIMÄRER ENERGIEVERLUST≠ REGESTRIERTES SIGNAL ABWEICHUNG IN DER GEOMETRIE DER PROPORTIONALKAMMER
- SYSTEMATISCHE FEHLER IN DER AUSLESEELEKTRONIK (VER- - STÄRKUNG,NICHTLINEARITÄTEN)
10~α ;dd~
AA α
∆∆
410A >
The Pioneer : PEP4
TPC wurde bei 8.5 atm Gasdruck (80% Ar/20% CH4 ) betrieben Maximal konnten 185 dE/dx Messungen pro Spur gemacht werden
CHERENKOV DETEKTOREN FÜR GESCHWINDIGKEITSMESSUNG
CHERENKOV EFFEKT: • Elektromagnetische WW: einfallendes geladenes
Teilchen polarisiert Medium ⇒ zeitlich veränderliches Dipolmoment, wenn Teilchengeschwindigkeit υ > c/n ; n(λ)... Brechungsindex
• Abstrahlung unter cosθch = 1 /nβ , d.h. eine Messung der Abstrahlrichtung der Cherenkov Photonen erlaubt eine direkte Messung von β
• Schwelle der Abstrahlung: cosθch = 1; β(Schwelle) = 1/n
CHERENKOV-WINKEL vs β und n
• Cherenkov Winkel in Abhängigkeit der Teilchengeschwindigkeit β für verschiedenen Brechungindexe n
• Für sehr relativistische Teilchen ( β nahe 1) sind Änderungen im Cherenkov-Winkel sehr klein
CHERENKOV - STRAHLUNG
• CHERENKOV – ENERGIEVERLUST: ist elektromagnetischer Effekt → berechenbar
dN/dx ~ 1/λ Annahme: n=konst. dN/dx=2πα Z2 sin2θCH (1/λ2 – 1/λ1)
• ZAHLENBEISPIEL : Bereich der Photonen-Messung λ1 = 400nm; λ2 = 700nm
dN / dx ≈ 4.9 x 102 . sin2 θc [cm-1] für n = 1.001 βSCH = 0.999 sin2θ CH ~ 2 x 10-3
dN / dx = 2 x 4, 9 x 10 –1 ~ 1 [cm-1]
d.h.: ungefähr ein Photon pro Zentimeter abgestrahlt...
2222 λ / )dλn1/β(1 x Z2π)/dxdN(Photons ∫ −=
Beispiel eines ‘Schwellen’ Cherenkov Systems (Tasso)
Drei Cherenkov-Detektoren mit drei verschiedenen Brechungsindizes gestatten Identifizierung von Pionen, Kaonen
und Protonen in gewissem Geschwindigkeitsintervall
FOKUSIERENDE CHERENKOV DETEKTOREN
• MODERNE CHERENKOV DETEKTOREN MESSEN: Photonen und deren Abstrahlungsrichtung ⇒ direkte Geschwindigkeitsmessung • PRINZIP : Fokusierung mit sphärischem Spiegel mit Brennweite f ⇒
Cherenkov - Kegel in Ring fokussiert • Ringradius R= f. tgθ CH = f (n/γsch) [1-(γsch/γ)2 ] 1 /2
RICH (Ring Imaging Cherenkov): GESCHWINDIGKEITSAUFLÖSUNG
• FUNDAMENTALE BEGRENZUNG: Chromatische Aberration Δn / n des Brechungsindex im
Cherenkov Radiator • ZUSÄTZLICH: geometische Fehler der Ortsmässung der Photonen: Δθ • AUFLÖSUNGSVERMÖGEN Δγ / γ = γ2 β3 n Δθ / (N0L) ½
• NACHWEIS DER CHERENKOV – PHOTONEN
• UV-empfindliche MWPCs : Beigabe von Gasen mit geringem Ionisationspotential
• Aufdampfen von Photokathoden auf einer Kathodenebene einer MWPC-Struktur
BEITRÄGE ZUR AUFLÖSUNG
Material CF4 C4 F10 Aerogel L [cm] n [mrad] Pthresh (π) [GeV] Pthresh (K) [GeV]
167 1.005 32 4.4 15.6
85 1.0014 53 2.6 9.3
5 1.03 242 0.6 2.0
maxcθ
emissionθσchromaticθσpixelθσtrackθσ
totalθσ
pen
[mrad][mrad][mrad]
[mrad]
[mrad] 18.4
0.580.200.180.420.31
7.3245.142.083.081.074.0
6.600.226.078.061.160.0
Beispiel: LHCb-Rich
DER PIONIER : DELPHI
Querschnitt durch den Delphi Detektor: bei grossen Winkeln (‘Barrel’) (niedrigere Impulse) wurden ein Flüssig-Radiator und ein Gas-Radiator verwendet;ebenso bei kleinen Winkeln (höheren Impulsen)
Gaseous photodetector: •Open geometry MWPC
•Modular design with dismountable CsI PC of 64x40 cm2
•Single e- detection efficiency > 90% at a gas gain ~ 4x104
PID range: π K: 1 < p < 3 GeV/c p: 2 < p < 5 GeV/c
Front-end Electronics: based on the GASSIPLEX chip, integration time ~ 1 µs, noise ~ 1000 e- on detector, multiplexed analogue readout
The ALICE HMPID RICH layout
Anode wires median support MACOR bars
Anode wires PCB with positioning marks
“Blank” cathode planes for HV tests
HMPID Anoden-Draht Rahmen
CsI Photokathoden Quanten Effizienz
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
5.5 6 6.5 7 7.5 8photon energy [eV]
CsI
pho
toca
thod
e Q
E
PC32 (@STAR)PC33PC34PC35PC37, PC39PC38
Gedruckte Schaltung für Auslese-Plättchen nickel barrier layer (7µm) gold front
surface (0.4 µm)
multilayer pcb with metalized holes
CsI
DER TEUFEL SITZT IM DETAIL …
gold front surface (0.4 µm) nickel barrier layer (7µm)
multilayer pcb with metalized holes
CsI
Photocathode PCBs split into two multilayer circuits (SMD connectors for FEE cards)
GROUND PLANE
Zahl der Pads/Ring und Zahl von Pad Clusters/Ring Vergleich: Messung und Simulation
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000
total gain [e-]
mul
tiplic
ity
n. raw cl. - simuln. pads - simuln. raw cl. - testbeamn. pads - testbeam
Bild-formende Cherenkovs: eine astronomische Front
Whipple Observatory Good (10-2) hadron rejection with image analysis
ÜBERGANGSSTRAHLUNG (ÜST)
ÜST : elektromagnetische Effekt, wenn ultrarelativistische Teilchen (γ>>1) durch Grenzfläche zweier Medien mit verschiedener dielektrischer Konstante (ε1 , ε2) fliegen
ÜST ist ein em Effekt und deshalb genau berechenbar Polarisationsvektor ⇒ zeitlich veränderliches Potential A (r,w) ⇒
Strahlung Charakteristische Länge der Neuverteilung der Ladungen : Formationslänge
CHARAKTERISISCHE EIGENSCHAFTEN DER ÜST
ABGESTRAHLTE GESAMTENERGIE (Pro Materialübergang) W=αγhωP /3π proportional zu Loretzfaktor γ ωp … Plasmafrequenz ; ωp
2 = 4παNAρ/Ame ωp (Polyethylen) = 20eV
TEILCHEN muss FORMATIONSLÄNGE durchlaufen, um signifikant zu strahlen ⇒ Interferenz
Formationslänge : in Luft: einige mm (γ abhängig) Polyethylen : 10-20 μm
ABGESTRAHLTE PHOTONEN : dominant im Röntgenbereich; einige keV bis 100 keV ZAHL der ABGESTRAHLTEN PHOTONEN <N> ~ W / hνüst ~ O (α) α… Feinstruktur-Konstante Für meßbaren Effekt … hunderte von Materialübergängen benötigt WINKELVERTEILUNG w (θ) ~ 1/γ PRINZIPIELLER NACHWEIS DER RÖNTGENPHOTONEN: Photoeffekt an Gasen von Proportionalkammern
ÜBERGANGSTRAHLUNG: THEORIE UND EXPERIMENT
Wie alle elektromagnetischen Effekte : präzise berechenbar (obwohl die Entwicklung der theoretischen Beschreibung fast 30 Jahre dauerte…)
Theorie wird zur Optimierung von : Folienmaterial, Foliendicke, Abstrand,…als Funktion des γ-Bereiches verwendet
ÜBERGANGSTRAHLUNG : OPTIMIERUNG
Im ALLGEMEINEN : ÜST – PHOTONEN und IONISATION werden in DETEKTOREN überlagert gemessen
( Photonen und Teilchen kollimiert) OPTIMIERUNG: Folien (Fasern) mit sehr niedrigem Z (Li, PE,..) um Absorption
minimal zu halten; Detektorgas mit hohem Z (Xe), um Photonen-Absorption relativ zu dE/dx zu optimieren
ÜST – PHOTON oder Delta Elektron
µ/ρ
Messung von Röntgen-Photonen Nachweisprinzip: Wechselwirkung der Photonen im Detektormaterial Photoionisation Comptonstreuung Paarproduktion Die dabei erzeugten Elektronen und Positronen werden im Detektorgas ( dE/dx Energie-Verlust) absorbiert. Die dabei erzeugte Ionisation wird gemessen.
Photoeffekt:
Als Folge des Photoeffekts in einer inneren Schale treten folgende Sekundäreffekte auf:
ATLAS TRT (TRANSITION RADIATION TRACKER)
AUFGABE: Elektronen identifikation - bei Nominal-Luminosität (~109 Kollisionen/sec) - trotz hohen Untergrundes (Neutronen, Photonen..) LŐSUNG: extrem hohe Granularität des Detektors: 380000 ‘Strohhalme’ : 4 mm Durchmesser Proportional – Röhren gefüllt mit
(Xe/CO2/O2 : 70/20/10) AUSLESE: Driftzeit-Messung zur verbesserten Ortsauflösung. Zwei-Schwellen Diskriminatoren erlaubt ‘Cluster’-Auslese
Ein ‘Rad’ nach Konstrukion Während der Akzeptanz-Tests
TRT ‘Endkappen Räder’
Integration der Detektoren
am CERN
ATLAS TRD am LHC: KONSTRUKTION UND POTENTIAL
e/hadron rejection of ATLAS TRD One of 72 ATLAS TRD Disks
TRD für ALICE Experiment am LHC
AUFGABE : LÖSUNG: KONSTRUKTION: Modulare Konstruktion Radial : 6 Radiator – Kammer Lagen Gas: Xe (85) : CO2 (15) Padkammern mit 3cm Drift / Konversions-Volumen
•Elektronen- Identifikation UND (erstmals)
•Elecktronen trigger (!) in Ionen-Ionen-Kollsionen mit extrem hoher Teilchenmultiziplität (bis zu ~ 50000 pro Ereignis)
•Spurenvektor
•Extrem hohe Granularität (1.2 x 106 Kanäle)
•Sehr innovative Auslese-Elektronik, gekoppelt an
•Sehr innovativen ‘Tracklet’ - Prozessor
60
• electron ID in central barrel p>1 GeV/c • fast trigger for high momentum particles
(hadrons, electrons)
• 540 detectors ~ 760m2
• 18 super modules • length: 7m • X/X0 ~ 22 % • 28 m3 Xe/CO2 (85/15) • 1.2 million channels
Transition Radiation Detector (TRD)
ALICE TRD
62
Particle Identification in ALICE
• ‘stable’ hadrons (π, K, p): 100 MeV/c < p < 5 GeV/c; (π and p with ~ 80 % purity to ~ 60 GeV/c) • dE/dx in silicon (ITS) and gas (TPC) + time-of-flight (TOF) + Cherenkov (RICH)
• decay topologies (K0, K+, K-, Λ, D) • K and L decays beyond 10 GeV/c
• leptons (e,μ ), photons, π0 • electrons TRD: p > 1 GeV/c, muons: p > 5 GeV/c, π0 in PHOS: 1 < p < 80 GeV/c
• excellent particle ID up to ~ 50 to 60 GeV/c