123.Juni 2006 Sommersemester 2006 Detektoren bei Dr. M. zur Nedden

Das Large Hadron Collider beauty

Experiment am CERNvon Regina Kwee

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Topics

1. Intro2. CP-Verletzung bei B-Mesonen3. Das Experiment und seine

Detektoren4. Triggersystem und Datenerfassung

[DAQ]

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Wozu LHCb ? • besseres Verständnis von CP-Verletzung

– Ursprung?– Beitrag nicht nur vom SM?– CP-Mechanismus und Kosmologie?

• Überprüfung des SM – Beobachtung seltener Zerälle

• systematische Suche nach neuer Physik

B-Sektor bietet Vielzahl von Zerfällen, wo SM präzise Vorhersagen über CP-V macht!

Erweiterung zu BELLE, BaBar und CDF

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CP-Verletzung

• generiert durch unitäre CKM-Matrix

• Wolfenstein-Parametrisierung: Reihenentwicklung in

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CP-Verletzung

relevant für • bekannt• bekannt aus

Matrix ist eindeutig durch bestimmt !

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CP-Verletzung

9 Unitaritätsbedingungen6 Unitaritätsdreiecke, davon2 interessante für B-Mesonen

Winkelbestimmung

entweder indirekt über die Dreieckseiten oder direkt

durchdie Vorhersage des SM vonCP-Verletzung

unterschiedliche Ergebnisse

neue Physik…!

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CP-Verletzung

indirekt

8

Zerfallskanäledirekt

Messung von

aber stark verunreinigt durch

misst auch , aber Prozess ist dominiert durch

„pinguin loops“, SM-Test !

9

Zerfallskanäledirekt

Messung von

SM: kleine CP-Verletzung in Wenn es einen neuen neutralen flavour-ändernden

Strom gibt, dann deutlicher Effekt sichtbar!

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@CERNLHCb ist eines der 4 größeren Experimente am CERN• Luminosität von Anfang an konstant• minimaler bunch crossing Abstand

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Der Detektor

• Vorwärtsdetektor, denn– B-Hadronen werden in

denselben Vorwärts-, bzw. Rückwärtskegel produziert (flavourtag)

– bessere Vertexauflösung als bei Zentraldetektor, da näher am IP

– Vermessung der doppelten Trajektorie

• aber– sehr hohere Teilchendichte, d.h. harte Strahlbelastbarkeit für Elektronik, Teilchenfluss von bis zu– Hälfte der Teilchen geht verloren („missing arm“)

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Der Detektor

Akzeptanz x-z: 10-300 mrad ; y-z: 10-250 mrad

Seitenansicht

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Tracking System• warmer Magnet• VeLo-Detektor• Tracking Stationen TT, T1, T2, T3 (urspünglich

mehr)• Strahlrohr

Hauptaufgabe: relative Teilchenimpulsauflösung von für

jedes geladene Teilchen, entspricht B-Massenauflösung

von

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Magnet

• Geometrie durch Detektor-Akzeptanz bestimmt

• vertikales Feld mit max.1.1T

• homogenes B-Feld (essentiell für Spurenrekonstruktion)

• 9 km Al –Draht in 120kt Stahljoch

• Datennahme mit Umpolung

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VeLo - Vertex Locator

Vertex Rekonstruktion ist DIE entscheidende Aufgabe

tasks • genaue Zeitauflösung <

50 fs• akurate Spurenmessungen

nahe am WWP• triggert B-Mesonen durch

Sekundärvertex HLT• detektiert Spuren aller

Teilchen innerhalb der LHCb-Akzeptanz

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VeLo - Detektor

hardware• besteht aus 21 Si-

Scheiben entlang der Strahlachse

• jede Station besteht aus 2 Sensorebenen, die die r- und phi-Komponenten jeder Spur messen

• pile-up-veto-Zähler:– 2 Si-Scheiben bei kleinstem z– verwirft 80% der Mehrfach-

WW und behält 95% der Einzel-WW (Simulationen)

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VeLo - Detektor

readout• FE-Elektronik bis zu den L-0

Buffern sind 7 cm von der Strahlachse angebracht– Analoge Information von

220.000 Verstärkern wird über 7000 twisted pair-Kabel durch den Vakuum Tank zur readout-Elektronik 10m entfernt übertragen

Auflösung• Primärvertex

– ~40 µm in z, ~10 µm in x,y

• Sekundärvertex– Ø ~150-300 µm (50 fs)

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Trigger – Tracker

• schickt pT-Information an L1• wird zur offline-Analyse

benutzt um Teilchen mit niedrigen Impulsen zu erkennen die nie die T1-T3 erreichen oder außerhalb zerfallen (langlebige neutrale Teilchen)

Outer – Tracker

• ist um T1-T3 gelegen• detektiert Spuren mit

einem radial Winkel von > 15 mrad

• moderate Teilchendichte, daher Gas-Drift-Kammern geplant, mit Gasgemisch Ar 75 %-CF4 15%-CO2 10%

• an T1, T2 T3• höhere Teilchendichte : HL• 4 Teile• niedrige Belegung durch

unterschiedliche Granularität

Inner – Tracker

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Ring Imaging CHerenkov Detektor

Zweck• Teilchen Identifikation• 3σ Trennung zw. Pion und Kaon

über Impuls-range 1-150 GeV/c (90%)

• hohes pT –tag

Funktion• Abb. von Č-Ringen entlang der

Teilchenspur• mit gegebenem pT + Ringradius

erhält man die Masse• verschiedene n

R1 R2

1-40 GeV/c 5-150 GeV/c

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Kalorimeter• Messung der Gesamtenergie

für Teilchen mit hohem pT

– Scintillating Preshower Detektor, SPD

– Preshower, PS

– ECAL, HCAL

• Szintillationsschichten,15mm• Auslese nach WL-Shift mit PMP• MIP‘s erzeugen Lichtsignal

– SPD: Unterscheidet geladene und neutrale Teilchen– PS: schnelle Pion versus Elektron Verwerfung

→ Trigger

SPD, PS

ECAL

• „Shashlik“-Technologie– Module aus Blei-Absorber-Platten,

2mmSzintillatorschichten, 4mm

– 25 X0 dick (1.1 WWL)– design-Auflösung: σ(E)/E = .01/E + 0.015^2HCAL

• Sampling Struktur– Stahl 4mm, Szintillatorschicht 16mm

– 5.6 WWL dick– design-Auflösung:σ(E)/E = .64/E + 0.1^2

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Myon Kammer

• 5 Stationen M1-M5• getrennt vom CAL mit

800mm Stahl• Wahl auf MWPCs gefallen

– 1380 Kammern, 20 unterschiedliche Größen

• Granularität in horizontaler Ebene feiner

(track momentum)

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Front-End-Elektronik

• Ausleseelektronik für jeden einzelnen Detektor

• prozessiert die individuellen analogen Signale leitet sie 60m weiter in einen strahlungsfreien Raum (Driver)

• ODE: Digitalisierung und L1-Prozessierung, LCMS

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Datenverarbeitung DAQ

• zur Verarbeitung von 40 MB/s : Standard-Multi-Level-System

L0, L1 – Trigger: benutzen lokale Detektorinformation

HLT - Software - Trigger

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Level-0 Trigger

• 1. Stufe:L0-pile-up-veto:– rekonsruiert grob und

schnell Primärvertex: pro Bunchcrossing können mehrere pp-Kollisionen auftreten (40%). Werden im pile-up mehrere PV gefunden, wird event verworfen.

• 3 Trigger für hohes-pT

– e, had, photon, – cutparameter:

hohes ET

• 1 Myon-Trigger– rekonstruiert

Myonspuren– prüft ob high pT

Myon von Vertex-Region kommt

• Level-0-Entscheidung:Kombination aller L0-Trigger Ergebnisse und letzte Entscheidung

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Level-1 Trigger

• soll falsche hohes pT Ereignisse verwerfen, die zum UG gehören u.a.– MehrfachWW in

Detektormaterial,– überlappende

Schauer

• soll events verwerfen, die keine b-Hadronen enthalten, triggern SV

• führt zero level supression Algorithmus aus

• klustert hits• bei positiver Level-1-Entscheidung ⇨ HLT

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High-Level-Trigger

• L2– eliminiert Ereignisse mit falschem SV mit pT –

Info, treten auf bei mehrfach gestreute Niedrig-Impuls-Spuren

• L3– volständige und partiellen Rekontruktion der

Endzustände– wählt b-Hadron-Zerfälle– 200 Hz Speicherrate

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Daten FlussDAQ

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Referenzen

• LHCb Technical Proposal, Genf 1998• Doktorarbeit von B. Carron,

Lausanne 2005• Doktorarbeit von P.Koppenburg,

Lausanne 2002• lhcb.web.cern.ch

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backup

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semileptonische Zerfälle

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VeLo - Detektor

Signalerzeugung • geladenes Teilchen

ionisiert ein oder zwei Si-Streifen→el. Puls zum readout

• readout besteht aus 16 chips pro Sensor, deren input Rate 40 MHz ist

• 4µs Zeit werden die gebuffert bis L0-Entscheidung kommt

• dann serielle Auslese in 32 readout lines zu einer 60 m entfernten, strahlungsreien Umgebung

• off-Detektor-Prozessierung