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Teilchendetektoren Teilchenidentifikation

Teilchendetektoren Teilchenidentifikation. Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien. Themen. Was ist Teilchenidentifikation ? Flugzeitmessung Vielfachenergieverlustmessung Cherenkov-Detektoren Übergangsstrahlung. 4. TIELCHENIDENTIFIZIERUNG. WAS IST TEILCHENIDENDIFIZIERUNG ?

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Teilchendetektoren Teilchenidentifikation

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  1. TeilchendetektorenTeilchenidentifikation Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien

  2. Themen • Was ist Teilchenidentifikation ? • Flugzeitmessung • Vielfachenergieverlustmessung • Cherenkov-Detektoren • Übergangsstrahlung

  3. 4. TIELCHENIDENTIFIZIERUNG WAS IST TEILCHENIDENDIFIZIERUNG ? Bestimmung der Masse ‘stabiler Hadronen: , 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 Beruht auf Impulsmessung p=mcßγ, kombiniert mit ß oder γ Messung Diese vier Methoden werden diskutiert

  4. 4.1 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

  5. DETAILS der ‘TIMING’(MULTIGAP)-RPC Cross section of double-stack MRPC - ALICE TOF Detector consists of a stack of glass plates 130 mm active area 70 mm Specifications Double stack - each stack has 5 gaps (i.e. 10 gaps in total) honeycomb panel Flat cable connector Differential signal sent from strip to interface card (10 mm thick) PCB with cathode pickup pads 250 micron gaps with spacers made of fishing line external glass plates 0.55 mm thick internal glass plates Resistive plates ‘off-the-shelf’ soda lime glass (0.4 mm thick) PCB with anode pickup pads Mylar film (250 micron thick) 400 micron internal glass 550 micron external glass 5 gas gaps of 250 micron PCB with cathode pickup pads M5 nylon screw to hold fishing-line spacer Honeycomb panel (10 mm thick) Resistive coating 5 MW/square connection to bring cathode signal Silicon sealing compound to central read-out PCB

  6. ZEITAUFLÖSUNG und EFFIZIENZ Efficiency [%] 100 95 90 85 80 75 5.6 6.0 6.4 6.8 Applied differential voltage [+- kV] Resolution (ps) 65 60 55 50 pedestal 45 40 5.6 6.0 6.4 6.8 Applied differential voltage [+- kV] ALICE Time of Flight 160 m2 160,000 channels better than 100 ps time resolution Detector : double stack MRPC - 10 gaps of 250 micron Typical performance ADC bins ADC bins ADC bins n.b. Alice detector R&D ended - design frozen

  7. = 64.5 ps s ZEITAUFLÖSUNG CAMAC TDC (50 ps bins) New HPTDC ASIC (25 ps bins) 3 10 3 10 = 61.4 ps s Entries / 25 ps Entries / 50 ps 2 Big reduction in tails - tails related to length of cable 10 2 10 10 10 1 1 -1000 -500 0 500 1000 -1000 0 1000 Time [ps] Time [ps] 20 m cable : TDC are ‘common start’ - therefore need cable delay 20 ps time resolution 7 m cable : TDC operates on a ‘time stamp’ principle Hohe Zeitauflösung durch kleine Elektrodenabstände, gute Effizienz durch mehrere Detektor-Einheiten

  8. PHYSIKBEISPIEL: ANWENDUNG DER FLUGZEITMESSUNG FÜR , K-IDENTIFIZIERUNG VON CHARM ZERFÄLLE SPEAR: MARKII KOLLABORATION (1976) • a) bis c) : invariantes Masse Spektrum für beliebige Massenzuordnung der Teilchen • d) bis f) : gemessene Flugzeit war statistisch verwendet um Teilchenmasse zu bestimmen; eine klare Resonanz ist für den Fall πK gesehen • g) bis i) wie b),für drei-Körper Zerfälle

  9. 4.2 VIELFACH – ENERGIEVERLUST(VEV) MESSUNG PRINZIP: • Ionisations – Energieverlust ist abhängig βγ • Wiederholte Messung des Energieverlustes erlauber 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

  10. 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

  11. 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)

  12. PROBLMATIK (2) : KORREKTUREN… KORREKTUREN : müssen auf 1% - Niveau verstanden werden

  13. 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

  14. BEISPIEL:dE/dx IDENTIFIKATION IN ALEPH TPC • Rekonstruierter Energieverlust dE/dx als Funktion des Impulses • Durchgehende Linien geben den mittleren Energieverlust für die angegebenen Teilchen • Werte normalisiert auf Eins für minimal ionisierende Teichen

  15. Simulated TPC PID separation in the Alice TPC

  16. 4.3 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

  17. Electromagnetic Shower Hadronic Shower Cherenkov Effect

  18. CHERENKOV-WINKEL vs β und n • Cherenkov Winkel in Abhängigkeit der Teilchengeschwindigkeit β für verschiedenen Brechungindexe n • Für sehr relativistische Teilchen ( β ~ 1) ist der entsprechende Winkelbereich sehr klein

  19. CHERENKOV - STRAHLUNG • CHERENKOV – ENERGIEVERLUST: iste.m Effekt → berechenbar dN/dx ~ 1/λ für n=konst. : dN/dx=2πα Z2 sin2θCH (1/λ2 – 1/λ1) • ZAHLENBEISPIEL : 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...

  20. ‘SCHWELLEN’ CHERENKOV • Diskriminierung zwischen zwei Teilchen gleichen Impulses, p, und verschiedener Massen • m1 < m2 ; β1 > β2 • Brechungsindex so gewählt, daß • β2 ≤ 1/n, β1 > 1/n • Intensität N • N ~ (1- 1/ β1 2 n2) • für γ >> 1; β2 = 1/n • N ~ c2(m22γ22-m1γ12)/p2 • Zahl der Photonen (λ1 = 400 nm; λ2 = 700nm) • Nγ = 490 ε L [cm] c2 (m22γ22 –m12 γ12) / p2 ~ L ~ 1/ γ2 • ε … Quanteneffizienz ( typisch 20 bis 30 % )

  21. CHERENKOV - RADIATOREN

  22. Example of a Threshhold Cherenkov System (Tasso)

  23. 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

  24. 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

  25. BEITRÄGE ZUR AUFLÖSUNG Beispiel: LHCb-Rich

  26. AUSLESE METMODEN FÜR CHERENKOV -PHOTONEN • UV-EMPFINDLICHE MWPCs (DELPHI,…) • MWPC mit UV-empfindlicher Photokathode (CsI auf Padebene ) (COMPASS, ALICE,..) • UV-empfindliche Photomltiplier mit hoher Ortsauflösung (geplant für LHC-b…)

  27. Nachweis von UV-Photonen durch Ionisation organischer Dämpfe

  28. 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)

  29. PRINZIP des ALICE RICH (HMPID) Auslese mit CsI-Photokathode auf Padebene (‘Proximity Focusing’)

  30. CsI photocathodes quantum efficiency Die Herstellung von CsI Photokathoden war lange Zeit ‘Schwarze Magie’, wurde aber in den letzten Jahren zu einer reproduzierbaren Methode entwickelt

  31. CsI GROUND PLANE Photocathode PCBs split into two multilayer circuits (SMD connectors for FEE cards) DER TEUFEL SITZT IM DETAIL … 40 cm 60 cm gold front surface (0.4 mm) nickel barrier layer (7mm) multilayer pcb with metalized holes

  32. First event recorded through the full FEE chain GASSIPLEX + ADC + DILOGIC

  33. HMPID: Installed; being commissioned HMPID (Sept ’06) 34

  34. UV-empfindliche Photomultiplier mit hoher Ortsauflösung (LHC-b)

  35. FOKUSSIERENDE CHERENKOVS:DIE ASTRONOMISCHE FRONT Gute (10-2) Hadronen Unterdrückung durch Analyse des Cherenkov-Lichtes ( EM Schauer sind kollimiert) Whipple Observatory

  36. 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 (im Prinzip) genau berechenbar Polarisationsvektor  zeitlich veränderliches Potential A (r,w)  Strahlung Charakteristische Länge der Neuverteilung der Ladungen : Formationslänge

  37. CHARAKTERISISCHE EIGENSCHAFTEN DER ÜST ABGESTRAHLTE GESAMTENERGIE (Pro Materialübergang) W=αγhωP /3π proportional zu Loretzfaktor γωp … Plasmafrequenz ; ωp2 = 4παNAρ/Ame ωp (Polyethylen) = 20eV TEILCHEN muss FORMATIONSLÄNGE durchlaufen, um signifikant zu strahlen  Interferenz Formationslänge : in Luft: einige mm (γ abhängig) Polyethylen : 10-20 μ m ABGESTRAHLTE PHOTONEN : 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

  38. 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

  39. 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

  40. 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

  41. TRT endcap wheels reception The detector has been constructed, tested Good quality demonstrated Integration work at CERN terminated; installed

  42. ATLAS TRD am LHC:KONSTRUKTION UND POTENTIAL One of 72 ATLAS TRD Disks e/hadron rejection of ATLAS TRD

  43. DER ‘INNER DETECTOR’ des ATLAS EXPERIMENTES Länges des TRT: 8 m Durchmesser: 2m

  44. ALICE TRD 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

  45. ALICE TRD - Principle

  46. TRD - Signal Generation & Processing 47

  47. electron ID in central barrel p>1 GeV/c fast trigger for high momentum particles (hadrons, electrons) ALICE TRD Transition Radiation Detector (TRD) • 540 detectors ~ 760m2 • 18 super modules • length: 7m • X/X0 ~ 22 % • 28 m3 Xe/CO2 (85/15) • 1.2 million channels Status: partially installed; being commissioned 48

  48. 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

  49. 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….

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