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Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger

Learn about gas-operated tracking chambers, ionization chambers, proportional counters, and Geiger counters. Explore the principles behind Muon detectors and Resistive Plate Chambers for triggering in particle physics experiments. Delve into the mechanisms of charge generation and avalanche multiplication in gas detectors.

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Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger

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Presentation Transcript

  1. Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück(Peter Schleper) Universität HamburgWinter-Semester 2004/05

  2. Übersicht • Allgemein: Gas-betriebene Spurkammern • Prinzipien • Von Ionisationskammern über Proportionalzähler zu Geiger-Zählern • MWPC, DC, TPC, MSGC, etc. • CMS: Muon-Detektoren • Motivation • Präzisionskammern zur Spurmessung • Resistive Plate Chambers zum Triggern • ATLAS • Einführung • Trigger Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  3. 1. Gas-betriebene Spurkammern Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  4. Ionen/Elektronen in FeldernDrift und Diffusion Zwei Effekte: -- Diffusion der Ladungswolke Immer da durch Abstossung der Ladungen und ihre thermische Bewegung. Maxwell, ve=106cm/s, vion=104cm/s Diffusionskoeffizient ( freie Weglänge) -- Drift der Ladungen im elektrischen Feld.Drift-Geschwindigkeit: Ionen niedrig, e- hoch Beweglichkeit(u=Geschwindigkeit): Einstein: Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  5. Mechanismen d. LadungserzeugungIonisation und Anregung Anregung eines Atoms: X+p  X*+p Resonanzprozess  ~ 1017 cm-2 Ionisation: X+p  X++p+e- keine Resonanz  ~ 1016 cm-2 primäre  sekundäre Elektronen (-Rays) Anzahl von Elektron-Ion-Paaren: 1 Paar pro 30 eV einfallender Energie (Argon: Anregung: 11.6 eV, Ionisation 15.8 eV Paar-Erzeugung 26 eV). Auflösung f. ein Teilchen: R=E/E=2.35 N/N=2.35(Fw/E) w: Energie f. ein Elektron-Ion-Paar F: Fano-Faktor E: deponierte Energie E: Fehler auf E (FWHM) N: Anzahl der Ionisationsprozesse. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  6. Ladungserzeugungals Funktion des elektrischen Feldes Ionisationskammer: Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt. Proportionalkammer: Primäre Elektronen werden beschleunigt und können andere Atome ionisieren (Ionisations-Lawinen). Ionisationsvermögen hängt von kinetischer Energie und damit der Feldstärke ab. Geigerzähler: Die erzeugte Raumladung deformiert das Feld, so dass die Proportionalität verloren geht. Noch später: Kette von Lawinen  Amplitude immer gleich hoch, unabhängig von Anfangsenergie Zusammenbruch: Konstante Entladung  Zerstörung des Detektors. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  7. Lawinen-MultiplikationBeachte: Elektronen sind sehr mobil! Lawine entsteht in der Nähe des Drahtes – nur da ist Feld stark genug! Schnelle Sammlung der Elektronen (~1 ns) Signal auf Elektroden durch Ionen-Drift Elektronen sind mobiler als Ionen; ihre Mobilität µ hängt vom Feld ab. Townsend-Koeffizient: Wahrscheinlichkeit für Ionisation auf Einheits-Wegstrecke ( freie Weglänge) Elektronen auf Strecke dx erzeugt Erzeugte Elektronen auf Strecke x: n(x) = n0 exp(ax) Multiplikator für Lawine (Gain): Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  8. Lawine V  250 V IonisationskammerÜbersicht Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt. Gutes “toy model” für einige theoretische Überlegungen. Woher kommt das Signal? Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  9. PulsbildungDurch Drift der Ladungsträger Feld und Potential eines Drahtes: Potentielle Energie einer Ladung,Änderung bei Verschiebung Energie des Feldes Energieerhaltung Also Änderung des Spannung! Beitrag der Ionen viel grösser! Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  10. DriftkammernÜbersicht Homogenes Feld  Driftgeschwindigkeit konstant! Felddrähte Elektroden zur Abschirmung Anode Wenig Hardware-Aufwand, aber sorgfältige Wahl desGases und gutes Design des Feldes nötig (Homogenität!) Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  11. VieldrahtproportionalkammerMultiwire proportional chamber (MWPC), Charpak 1968 Viele Anodendrähte nebeneinander (ohne Abschirmung!) wirken wieviele kleine Proportionalkammern! Jeder Draht kann (dank Transistortechnik) seinen eigenen Verstärker haben. Potentialdifferenz: n*100 V Lawinenbildung erst nahe an Anode, vorher nur Drift! Signal auf mehreren Drähten! Abstand Anode zu Anode: mm Abstand Anode zu Kathode: mm Feld fast überall homogen! Zeitauflösung: 25-30 ns Ortsauflösung 0.5*Anodenabstand.Kathodenstreifen: 100 µm Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  12. Zylindrische DriftkammernDer Standard in HEP Viele Driftkammern Proportionalkammern Time Projection Chamber Jet-Kammer Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  13. Zylindrische DriftkammernDer Standard in HEP Tasso-Driftkammer Jade-Jet-Kammer: Mehr Bildpunktepro radialer Spur. Transversales Feld Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  14. ZeitprojektionskammerTime Projection Chamber (TPC) Kombiniere grosse Driftstreckenmit Drahtkammern / Pads zur Auslese an den Enden  Infoüber r und -Position (180 µm). Ankunftszeit gibt z-Information(Auflösung ca. 200 µm – gut!) E- und B-Feld parallel  keinProblem mit Lorentz-Winkel. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  15. ZeitprojektionskammerPrinzip der Ortsauflösung Bla Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  16. ZeitprojektionskammerAm Beispiel von Aleph Bla Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  17. ZeitprojektionskammerPrinzip der Auslese Bla Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  18. ZeitprojektionskammerBilder von Aleph Bla Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  19. ZeitprojektionskammerDas erste Aleph-Event-Display Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  20. Zeitprojektionskammer… und das letzte Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  21. ZeitprojektionskammerAuflösungen bei Aleph Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  22. ZeitprojektionskammerTeilchen-Identifikation mit der TPC Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  23. Microstrip Gas ChambersDie MWPC in mini – schnell und präzise Driftfeld Verstärker-Folie Anoden Anoden Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  24. Microstrip Gas ChambersMSGC Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  25. 2. Myon-Kammern Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  26. Pseudo-Rapidität… Vorwärts und Zentral / Barrel  =2.4 =1.3 =0.9 =0 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  27. Myonkammern: MotivationppHZZ*4 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  28. Myonkammern: Motivationppbbtag+B0 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  29. Myonkammern: MotivationppZ zur Kalibration! Schwere Bosonen/Leptonen Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  30. MyonkammernGesamtansicht aller Systeme Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  31. MyonkammernGesamtansicht aller Systeme im Barrel Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  32. Spurkammern Kalorimeter Solenoid Magnet-Joch Myon-Stationen MyonkammernVier Myon-Stationen im Barrel Eine Station enthält drei ver-setzte Lagen (Superlayer) von je vier Lagen Drift-Röhren(gutes BC-Tagging ~ns!). Zwei Superlayer für r-Messung, einer für z. Stationen 1 und 2: Je zwei RPC (innen, aussen)Stationen 3 und 4: Eine RPC innen. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  33. MyonkammernDriftkammern im Barrel • niedrige Rate, geringe Teilchenanzahl im Barrel  langsame Driftkammern sind okay. • Röhren (Wand 2mm) schützen Detektor bei Drahtbruch! Auch Entkopplung benachbarter Kanäle. • In Kombination hervorragende Zeit- und Ortsauflösung. • ca. 200000 Kanäle Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  34. MyonkammernBedeutung des Magnetfelds • x ist Ortsauflösung eines Messpunkts • Starkes B-Feld macht bessere Auflösung (stärkere Krümmung der Spur) • Wichtig: Durchlaufener Radius L: Hebelarm  Myon-Kammern sind ganz aussen. Ortsauflösung der Myon-Kammernist wichtig für Impulsmessung, und die ist wichtig für Rekonstruktion derinvariante Masse z.B. des Higgs. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  35. Myonkammern – TriggerResistive Plate Chambers: Arbeitsweise • Schnelle Response  BC-ID! • Billiger und einfacher Readout • hohe Segmentierung möglich  gute Myon-pT-Auflösung. Zuerst im Streamer-Mode betrieben: sehr kurzer hoher HV-Puls  Entladungskanäle mit hoher Zeitauflösung! Aber: langsame Erholung! Jetzt: Oberer Rand Proportionalitätsbereich  Ratenverträglich! Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  36. -HV -HV -HV -HV RPC: Layout6 Kammern im Barrel Bakelit Readout der Streifen(Signal wird induziert) Feld Das Feld wird erzeugt durch Aluminium-Folien auf der Rückseite der äußeren Bakelit-Schicht. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  37. MyonkammernBarrel-Station mit DTs und RPCs. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  38. Draht MyonkammernCathode Strip Chambers in den Endkappen • 2D-Readout in einer Kammer • Kleiner Drahtabstand  schnell (gut in Vorwärtsrichtung) • hohe Präzision der Ortsmessung mit Streifen: Interpolation. • Fächerförmige Streifen erlauben einfache -Messung Myon Drähte Kathoden Streifen Induzierte Ladung Lawine Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  39. MyonkammernImpuls-Auflösung Kombination mit Inner Tracker wesentlich! Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  40. MyonkammernppZ zur Kalibration! Z: Nur µ-Kammern Z: µ-Kammern+Tracker Auflösung wenige GeV. Z’: 150 GeV Z’: 300 GeV Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  41. MyonkammernEffizienz der Driftkammern und des Triggers Wichtig: Wieviele Myonen erwische ich mit dem Trigger? Wieviele Myonen kann ich in den Kammern identifizieren? Wert, bei dem ca. 85% Effizienz erreicht ist. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  42. MyonkammernRaten Fast unmöglich <10 GeV zu trigger! Aber unter 20 GeV fast nur “minimumbias”-Ereignisse. Erst dann Myonen aus -- W-Zerfall -- Drell-Yan-Prozessen (qqW/Zµµ) -- Z-Zerfall -- top-Zerfall -- etc. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  43. 3. Trigger Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  44. Trigger = Zentrale Instanz des Experiments, die online über Selektion oder Verwerfung jedes einzelnen Events entscheidet. Realisierung entweder durch schnelle Elektronik oder durch Software-Algo- rithmen. Hauptproblem: Wie kriege ich schnell genug genügend Informationen zusammen, um auf konsistenter Grundlage entscheiden zu können? Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  45. Wirkungsquerschnitte … warum eigentlich ein Trigger? Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  46. PHYSICS AT THE LHC Comparison of SM and ‘new physics’ processes Small cross-sections for‘new physics’processes … and small branching ratios (e.g. H).SM processes dominate. At high luminosity~23 events overlaid … for 2•1033cm-2s-1 usually only one event Understandingof SM processesimportant • Backgrounds for ‘discovery physics’: Wbb, ttbb, W/Z pairs…• Calibration, energy scale: Ze+e-,+-, J/e+e-,+-, Wjj… Necessity of efficient trigger! Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  47. PHYSICS AT THE LHC Importance of high pT signatures Muons just as illustration - same is true for electrons, photons, jets. Interesting (non-minimum-bias) physics sets in only at relatively high pT. New particles are expected to be heavy (Higgs, sparticles all above 100 GeV)  decay products will have relatively high transverse momentum. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  48. ATLAS TRIGGER MENU COVERAGE Triggering mostly with inclusive / di-leptons. • Gauge boson pair production for study of anomalous couplings and behaviour of production at high energies • single and pair top production• direct Higgs production with HZZ*/WW*; associated SM Higgs production with WH, ZH, ttH• MSSM Higgs decays• Production of new gauge bosons with decays to leptons. • SUSY and leptoquark searches Inclusive anddi-lepton B physics • specialised, more exclusive menus H • 2EM15I at L1, 220i at L2. Also MSSM. SUSY,leptoquarks • High pT jets with/without ETmiss. Resonances,compositeness • High pT jets. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  49. THE ATLAS EXPERIMENT - Length ~40 m- Diameter ~25 m- Weight ~7000 t- 108 channels (event ~2MB) - ‘Inner (tracking) Detector’- calorimeters (energies)- muon detectors - Barrel: solenoid around ID and toroid fields in muon system- Endcaps: toroid fields Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  50. THE ‘INNER DETECTOR’ Pixel Detector: - 3 barrel layers - 2•4 end-discs- 140•106 channels- R=12m,z,R=~70m- || <2.5 Transition Radiation Tracker - 0.42•106 channels- =170m per straw- || <2.5 Silicon Tracker: - 4 barrel layers, || <1.4- 2•9 end-discs, 1.4 <  < 2.5- Area 60 m2- 6.2•106 channels- R=16m, z,R=580m Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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