teilchendetektoren teilchenidentifikation christian w. fabjan, cern und tu wien
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Teilchendetektoren
Teilchenidentifikation
Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien
Themen
• Was ist Teilchenidentifikation ?• Flugzeitmessung• Vielfachenergieverlustmessung• Cherenkov-Detektoren• Übergangsstrahlung
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
-1/22 )β1( Beruht auf Impulsmessung p=mcßγ, kombiniert mit ß oder γ MessungDiese vier Methodenwerden diskutiert
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
130 mmactive 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 connectorDifferential 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 glass550 micron external glass
Resistive coating 5 M/square
Detector consists of a stack of glass plates
DETAILS der ‘TIMING’(MULTIGAP)-RPC
ZEITAUFLÖSUNG und EFFIZIENZALICE 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
405.6 6.0 6.4 6.8
Applied differential voltage [+- kV]
5.6 6.0 6.4 6.8Applied differential voltage [+- kV]
Efficiency [%]100
95
90
85
80
75
n.b. Alice detector R&D ended - design frozen
Typical performance
1
10
102
103
= 61.4 ps
-1000 -500 0 500 1000Time [ps]
En
trie
s /
25
ps
1
10
102
103
-1000 0 1000Time [ps]
= 64.5 ps
En
trie
s /
50
ps
ZEITAUFLÖSUNG
20 m cable : TDC are ‘common start’ - therefore need cable
delay
20 ps time resolution7 m cable : TDC operates on
a ‘time stamp’ principle
Big reduction in tails - tails related to length of cable
New HPTDC ASIC (25 ps bins)CAMAC TDC (50 ps bins)
Hohe Zeitauflösung durch kleine Elektrodenabstände,gute Effizienz durch mehrere Detektor-Einheiten
PHYSIKBEISPIEL:
ANWENDUNG DER FLUGZEITMESSUNG FÜR , K-IDENTIFIZIERUNG VON CHARM ZERFÄLLESPEAR: MARKII KOLLABORATION (1976)
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
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
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
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 ;d
d~
A
A
410A
PROBLMATIK (2) : KORREKTUREN…
KORREKTUREN : müssen auf 1% - Niveau verstanden werden
The Pioneer : PEP4
TPC wurde bei 8.5 atm Gasdruck (80% Ar/20% CH4 ) betriebenMaximal konnten 185 dE/dx Messungen pro Spur gemacht werden
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
Simulated TPC PID separation in the Alice TPC
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
Electromagnetic Shower Hadronic Shower
Cherenkov Effect
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
CHERENKOV - STRAHLUNG
• CHERENKOV – ENERGIEVERLUST: ist e.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...
2222 λ / )dλn1/β(1 x Z2π)/dXdN(Photons
‘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(m22 γ2
2-m1 γ12)/p2
• Zahl der Photonen (λ1 = 400 nm; λ2 = 700nm)
• Nγ = 490 ε L [cm] c2 (m22 γ2
2 –m12 γ1
2) / p2 ~ L ~ 1/ γ2
• ε … Quanteneffizienz ( typisch 20 bis 30 % )
CHERENKOV - RADIATOREN
MATERIAL n - 1 (SCHWELLE)
GLAS 0.41 – 0.75 1.22 – 1.37
SZINTILLATOR 0.58 1.29
PLEXIGLAS 0.48 1.36
WASSER 0.33 1.52
AEROGEL 0.025 – 0.075 4.5 – 2.7
CO2 34.1
He 123
410x3.4
S
510x3.3
Example of a Threshhold Cherenkov System (Tasso)
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/c]
Pthresh (K) [GeV/c]
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
emissionθσchromaticθσpixelθσtrackθσtotalθσ
pen
[mrad]
[mrad]
[mrad]
[mrad]
[mrad]
18.4
0.58
0.20
0.18
0.42
0.31
7.32
45.1
42.0
83.0
81.0
74.0
6.6
00.2
26.0
78.0
61.1
60.0
Beispiel:LHCb-Rich
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…)
Nachweis von UV-Photonen durch Ionisation organischer Dämpfe
140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6transparency cutoffof fused silica
Energy[eV]
TMAE TEA
Qua
ntum
effi
cien
cy
Wavelength [nm]
9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5
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)
PRINZIP des ALICE RICH (HMPID) Auslese mit CsI-Photokathode auf Padebene
(‘Proximity Focusing’)
CsI photocathodes quantum efficiency CsI photocathodes quantum efficiency
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
ph
oto
cath
od
e Q
E
PC32 (@STAR)
PC33
PC34
PC35
PC37, PC39
PC38
Die Herstellung von CsI Photokathoden war lange Zeit ‘Schwarze Magie’, wurde aber in den letzten Jahren zu einer reproduzierbaren Methode entwickelt
DER TEUFEL SITZT IM DETAIL … DER TEUFEL SITZT IM DETAIL …
gold front gold front surface (0.4 surface (0.4
m)m)
nickel barrier layer nickel barrier layer (7(7m)m)
multilayer multilayer pcb with pcb with metalized metalized holesholes
CsCsII
Photocathode PCBsPhotocathode PCBssplit into two multilayersplit into two multilayercircuits (SMD connectors for FEE cards)circuits (SMD connectors for FEE cards)
GROUNDGROUND PLANE PLANE40 c
m40 c
m
60 cm60 cm
First event recorded through the full FEE chain GASSIPLEX + ADC + DILOGIC
34
HMPID: Installed; being commissioned
HMPID (Sept ’06)
UV-empfindliche Photomultiplier mit hoher Ortsauflösung (LHC-b)
FOKUSSIERENDE CHERENKOVS:DIE ASTRONOMISCHE FRONT
Whipple Observatory
Gute (10-2) Hadronen Unterdrückung durch Analyse des Cherenkov-Lichtes ( EM Schauer sind kollimiert)
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 berechenbarPolarisationsvektor zeitlich veränderliches Potential A (r,w)
StrahlungCharakteristische 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 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
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 oderDelta Elektron
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
The detector has been constructed, tested Good quality demonstrated
TRT endcap wheels reception
Integration work at CERN terminated; installed
ATLAS TRD am LHC:KONSTRUKTION UND POTENTIAL
e/hadron rejection of ATLAS TRD One of 72 ATLAS TRD Disks
DER ‘INNER DETECTOR’ des ATLAS EXPERIMENTES
Länges des TRT: 8 m
Durchmesser: 2m
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
ALICE TRD - Principle
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TRD - Signal Generation & Processing
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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
Status: partially installed; being commissioned
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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….