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TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENEEinschub: Das CMS-Experiment am LHC
Olaf BehnkeAchim Geiser(in Anlehnung an Vortrag von T. Mueller)
Universität Hamburg, IExpPhSommersemester 2010
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 2
Supraleitender Magnet ( 4 T)
Tracker
Myon-kammern
KalorimeterPbWO4, Cu+Szint.
MagnetjochMagnetjoch
Trigger, DAQ
Computing
Software / Datenanalyse
DER CMS-DETEKTOR
CASTOR
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 3
DIE HERAUSFORDERUNG
• Ereignisraten bis zu 800 MHz• Pro Bunch-Kreuzung > 1000 gel. Spuren• Sehr hohe Strahlenbelastung• Sehr kleine Wirkungsquerschnitte
Bs.:Für Entdeckung des SM Higgssind 1014 Ereignisse nötig
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 4
1984 Workshop zu einem großen Hadron Collider im LEP-Tunnel, Lausanne1987 Rubbias “Long-Range Planning Committee” empfiehlt als Antwort auf den
SSC in Texas den Large Hadron Collider für den CERN1988 Beginn mit konkreten Plänen für Detektoren1990 Large Hadron Collider Workshop Aachen1992 Konferenz zur LHC-Physik und den Detektoren, Evian les Bains1993 Letters of Intent (ATLAS und CMS wurden ausgewählt)1994 Annahme der Technischen Vorschläge
1998 Beginn der Konstruktion der Detektor- und Beschleunigerelemente2004 Fertigstellung der CMS - Kaverne2008 LHC / Detektoren betriebsbereit, erste Strahltests im Herbst2009 Wiederaufnahme des Strahlbetriebs im Herbst. Erste Physik-Kollisionen
Anfang 2010
HISTORISCHES
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 5
Erste Pläne für CMS
1987 Rubbia, Kienzle: „Iron Ball“
1988 Della Negra, Eggert: „CMS“
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 6
Deutsche Beteiligung am CMS
2008: RWTH Aachen : Institut Ib, IIIa, IIIbDESYUniversität Hamburg : Institut für PhysikUniversität Karlsruhe (TH) : Inst. Für Exp. Kernphysik
DCMS – Mitglieder: 210
Davon promoviert: 70
1992:
•Si-Tracker (TEC)
•Myonkammern (Barrel)
•Higher Level Trigger, DAQ
•CASTOR; BCM2
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 7
KONSTRUKTION DER DETEKTORELEMENTE
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 8
1. Der Supraleitende Magnet
Eine Aufgabe für die Werft DWE Deggendorf
• 2112 Windungen in 4 Lagen• Supraleitender Al-verstärkter NbTi-Leiter• 19 kA Betriebsstrom • 220 t Kaltmasse bei 4.5K (Helium)• Feldenergie 2.5 GJ• Rückflussjoch aus 10 000t Eisen• Axiale Kraft auf Joch: 120 MN• LHC-Operation bei 3.8 T• Materialdicke 70 cm (1.1 λ)
NbTi-Leiter32 Adern
Aluminium-legierung
Stromzyklen 19kA,4T
6.3m
12.5
mAluminium
Dank an Katja Klein
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 9
Bau des Eisenjochs in der DWE-Werft
Bau des Magneten
Einschub der inneren Kryostatwand
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 10
2.5 m
5.8 m
206 m² (Streifen) + 1 m2 (Pixel)25.000 Siliziumsensoren10Mio Streifen 75.376 Auslesechips26.000.000 Bonds37.000 Optische Analogverbindungen 3.000 km Optische Fibern
Strahlenbelastung: 1013 – 1015 neq /cm2
Betrieb bei ‐150 C
2. Der Spurdetektor
30-mal größer als der CDF-Si-Detektor
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 11
ROD INTEGRATION
AachenKarlsruheStrasbourgZurichWien
PETALS INTEGRATION Aachen
Brussels Karlsruhe
Louvain
Lyon Strasbourg
Wien Lyon
TEC assemblyTEC assembly
Pitch adapter:Factories Brussels
TK ASSEMBLYCERN TIF
LouvainStrasbourgFirenze
Wien
BariPerugia
Bari FirenzeTorinoPisaPadova
TIB-TID INTEGRATION
FNAL
UCSB
TOB assembly TIB/TID assemblyCERN Pisa Aachen Lyon@CERN
Karlsruhe
FNAL
Sensor QAC
Moduleassembly
Bonding & testing
Sub-assemblies
UCSB
FNAL
Integrationinto mechanics UCSB Hamburg
Hybrids:Factory-Strasbourg
Sensors:Factories
Kapton:Factory Aachen, Bari
Frames:Brussels,Pisa,Pakistan
Pisa Perugia
FE-APV:Factory IC,RAL
Control ASICS:Factory Company (QA)
Brussels
HH
CERN
CF cuttingFactory
CF plates:Factory Brussels
CF cuttingFactory
Florence TorinoPisa
Move to Pit and InsertInternationale Logistik
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 12
Endkappen (EE)- 1.479 < |η| < 3.0- 2 x 2 „Dees“- 2 x 7324 Kristalle- 2.9cm x 2.9cm x 22cm- 24.7 X0- Vakuumphototrioden
Barrel (EB)- |η| < 1.479 - 36 Supermodule- 61200 Kristalle- 2.2cm x 2.2cm x 23cm- 25.8 X0- Avalanche Photodioden
Preshower zur π0-Unterdrückung- 1.6 < |η| < 2.6- Bleiabsorber/Siliziumstreifendetektoren- 2 Lagen ≙ 2 X0
• Benchmark-Kanal: H -> γγ
• Anforderungen:- Exzellente Energieauflösung- Hohe Granularität- Strahlenresistenz- Schnelligkeit
3. Das Elektromagnetische Kalorimeter
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 13
Submodul2x5 KristalleSubmodul
2x5 Kristalle
36 SupermoduleJe 1700 Kristalle36 SupermoduleJe 1700 Kristalle
Bleiwolframat-Kristalle:
•Hohe Dichte: 8.28 g/cm3
• Kurze Strahlungslänge: 0.89cm• Kleiner Moliereradius: 2.2cm• Schnell: 80% des Lichts wird in 25ns emittiert
• Geringe Lichtausbeute: 4.5 e− / MeV bei +18°C• Lichtausbeute stark temperaturabhängig: −2.1% / °C bei +18°C-> T-Stabilisierung auf 0.05°C nötig!
( )2 22
22.8% 0.12 0.3%( )( )
GeVE E GeVE GeVσ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞ = + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 14
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 15
• Hauptabsorber: Messing (70% Cu, 30% Zn) wegen Verfügbarkeit• Detektor: 70 000 Kacheln aus Plastikszintillator (Strahlenhärte, Langzeitstabilität)• Erwartete rohe Energieauflösung für Pionen (Teststrahl): σ/E = 120%/√E + 6.9%
Hadron Barrel (HB)- 16 Lagen Szintillator- 5.8 λ / sinθHadron Endkappe (HE)- 19 Lagen Szintillator- 10 λ
Hadron Outer (HO) Calorimeter als „Tail Catcher“- Spule und Joch als Absorber- 1-2 Lagen Szintillator
Hadron Forward (HF)- Dosis: 5 MGy bei |η| = 5- Stahlabsorber- Quartzfibern
4. Das Hadron-Kalorimeter
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 16
Messing-Endkappe: „Schwerter zu Pflugscharen“
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 17
Endkappe (0.9 < |η| < 2.4) :• Hohe Myon‐ & Untergrundrate: ≤ 1kHz/cm2
• B‐Feld groß und nicht uniformKathodenstreifenkammern3 ‐ 4 Lagen, 468 Kammern, 5000m2
Barrel (|η| < 1.2) :• Niedrige Myon‐ & Untergrundrate• B‐Feld klein und im Joch verlaufendDriftröhren4 Lagen, 250 Kammern, 18000 m2
Gas: 85% CO2, 15% ArgonDriftzeit: 380 ns
5. Das Myonsystem
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 18
Die 75.
Produktion in Aachen
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 19
HCAL Magnet
(Tracker)
Myonkammern
(ECAL)
Herbst 2006
Erste Höhenstrahltests
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 20
Trigger und DAQ
LHC
-Grid
GridkaKarlsruhe
350 cores127 TB disk
360 cores100 TB disk
CMS
CMS
CMS
1000 cores650 TB disk
6. Trigger/DAQ und Computing
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 21
CMS-Surface-Area
LHC-Tunnel
CMS-Halle
Die CMS-Experimentierzone
… auf dem Papier:
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 22
CMS – Zone in Cessy
Jan 1999…im Bau:
2002
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 23
2003
2004
Die CMS-Kaverne
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 24
Feuerlösch-Test in der Kaverne
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 25
Jan 2007
Beginn der Endmontage
Absenken einer Endkappe
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 26
Absenken eines Barrel-Rings
Jan 2007
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 27
Absenken des 1500t schweren Zentralteils
März 2007
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 28
Einführung des Hadronkalorimeters
Ap. 2007
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 29
… und des Kristallkalorimeters
Jul 2007
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 30
Letzte Arbeiten am Myonsystem
2008
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 31
Dez. 2007
Einbau des Spurdetektors in CMS
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 32
Myonen in der Kaverne
Myonspuren extrapoliert zum Herkunftsort an der Erdoberfläche
Tomographie des Erdreichs !
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 33
April 2010: der erste CMS Z->μμ - Kandidat
CTD
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OB/AG SS10: Teilchenphysik f. Fortg. 34
Begonnene Aktivitäten / Planung der deutschen CMS-Gruppen:• Sensoren • Kühlung • Stromversorgung für neuen Tracker (ACIb,HH,KA)
PLANUNG FÜR DIE ZUKUNFT
• schnelle Detektoren für Myon-Trigger (AC III)2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022
Wir freuen uns auf Jahrzehnte spannender Forschung!
nicht mehr ganzaktuell …