Teilchendetektoren Teilchenidentifikation SS 2012 · active area 70 mm . M5 nylon screw to hold...

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Teilchendetektoren Teilchenidentifikation SS 2012 Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW

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Teilchendetektoren

Teilchenidentifikation

SS 2012

Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW

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

6

ALICE: A Large Ion Collider Experiment at CERN-LHC

Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tonnes

IDENTIFIKATIONSPOTENTIAL DES ALICE TOF

TOF Indetifikation mit ALICE mRPC System am LHC (Daten)

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 >

PROBLMATIK (2) : KORREKTUREN…

KORREKTUREN : müssen auf % - Niveau verstanden werden

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

TPC No vertex cut !

dE/dX Identifikation in ALICE TPC am LHC

P (GeV/c

dE/dX Identifikation in ALICE TPC am LHC

TPC PID Qualität in der Alice TPC

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

Nachweis von UV-Photonen durch Ionisation organischer Dämpfe

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

Details zur Konstruction des Alice Rich (High Momentum PID: HMPID)

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

Event recorded through the full FEE chain GASSIPLEX + ADC + DILOGIC

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HMPID: Während Installation

HMPID (Sept ’06)

π

K p

ALICE RICH am LHC

UV-empfindliche Photomultiplier mit hoher Ortsauflösung: entwickelt für LHC-b

Bild-formende Cherenkovs: eine astronomische Front

Whipple Observatory Good (10-2) hadron rejection with image analysis

Cherenkov Detektoren in Astroteilchen-Physik

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

DER ‘INNER DETECTOR’ des ATLAS EXPERIMENTES

Länges des TRT: 8 m Durchmesser: 2m

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

ALICE TRD - Arbeitsprinzip

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TRD - Signal Generation & Processing

π-Nachweis-Effizienz vs. Impuls

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• 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

TRD

Electrons

Pions

ALICE at LHC: TRD electron identification

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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

TEILCHEN IDENTIFIKATION : ZUSAMMENFASSUNG

METHODEN perfektioniert, um der Geschwindigkeitsbereich 1≤ γ < 10,000 abzudecken

Manchmal ist die NATUR den Physikern freundlich gesinnt und hat eine Lösung für alle Fälle vorbereitet….