vortrag lhc+atlas/cms

81
Vortrag LHC+ATLAS/CMS Vortrag LHC+ATLAS/CMS 20.07.2006 20.07.2006 Im Rahmen Im Rahmen der der Vorlesung Vorlesung Detektoren Detektoren in der in der Elementar- Elementar- teilchenphy teilchenphy sik sik Gordon Gordon Fischer und Fischer und Michael Michael Volkmann Volkmann

Upload: elizabeth-kirk

Post on 30-Dec-2015

41 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

Vortrag LHC+ATLAS/CMS. 20.07.2006 Im Rahmen der Vorlesung Detektoren in der Elementar-teilchenphysik Gordon Fischer und Michael Volkmann. Überblick. A: Motivation: Higgs Boson und SUSY B: Large Hadron Collider (LHC) C: Experiment 1: ATLAS D: Experiment 2: CMS. HIGGS-Teilchen. - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Vortrag LHC+ATLAS/CMSVortrag LHC+ATLAS/CMS

20.07.200620.07.2006 Im Rahmen Im Rahmen

der der Vorlesung Vorlesung Detektoren Detektoren in der in der Elementar-Elementar-teilchenphysiteilchenphysikk

Gordon Gordon Fischer und Fischer und Michael Michael VolkmannVolkmann

ÜberblickÜberblick

A: Motivation: Higgs Boson und A: Motivation: Higgs Boson und SUSYSUSY

B: Large Hadron Collider (LHC)B: Large Hadron Collider (LHC) C: Experiment 1: ATLASC: Experiment 1: ATLAS D: Experiment 2: CMSD: Experiment 2: CMS

HIGGS-TeilchenHIGGS-TeilchenDie Teilchen in den 3 Familien

unterscheiden sich nur in ihrer Masse.

Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten.

Warum haben die Teilchen Masse?

Antwort der Theoretiker: Higgs-Teilchen „gibt“ allen Teilchen Masse

Wie kann man das verstehen????

Masse Trägheit

Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen, bevor er das Geld für den „Large Hadron Collider“

locker macht ……..

Physikalische Prozesse zur HiggserzeugungPhysikalische Prozesse zur Higgserzeugung

•Vielzahl von Erzeugungsmöglichkeiten

•Higgs koppelt an alle massiven Teilchen

•Häufigkeit stark von Masse des Higgs abhängig (unbekannt)

•Häufigster Prozess nicht der beste

•Wichtig: Trennung von Untergrund muss möglich sein

•Zerfallskanäle des Higgsbosons in Abhängigkeit seiner Zerfallskanäle des Higgsbosons in Abhängigkeit seiner MasseMasse

Goldene Kanäle zur Goldene Kanäle zur HiggssucheHiggssuche

Ab 150 GeV entstehen geladene LeptonenAb 150 GeV entstehen geladene Leptonen Daher: em. Kalorimeter und Myonsystem Daher: em. Kalorimeter und Myonsystem

wichtig!wichtig!

electron

selectron

quark

squark

photon

photino

vereinigtvereinigtBosonen mitBosonen mit FermionenFermionen

Kraft mitKraft mit MaterieMaterie

FermionFermion

BosonBoson

BosonBoson

FermionFermion

vereinigt Kräfte und …

mPl

MX ~ 1014 GeVp ~ 1031 a

MX ~ 1016 GeVp ~ 1038 a

• ein Vereinigungs-Punkt bei MX = 2·1016 GeV !

• Proton-Lebensdauer > exptl. Grenze • leichtestes SUSY-Teilchen Dunkle Materie im Universum !

• beseitigt mathemat. Inkonsistenzen in der Theorie

1.Der LHC Beschleuniger1.Der LHC Beschleuniger• 27 km langer Ringbeschleuniger am 27 km langer Ringbeschleuniger am

CERN (früher LEP)CERN (früher LEP)• Schwerpunktsenergie 14 TeVSchwerpunktsenergie 14 TeV• Kosten: 2,9 Mrd €Kosten: 2,9 Mrd €• 4 große Experimente:4 große Experimente:• ATLASATLAS• CMSCMS• LHCBLHCB• ALICEALICE

Der Large Hadron Collider (LHC)Ist ein 27 km langer Kollisionsring, der sich in einem 27 km langen Tunnel 100 m unter der Erde bei Genf (CERN) befindet.

Hier ist er ….Hier ist er ….

Einige Daten (am Kollisionspunkt)Einige Daten (am Kollisionspunkt)

15

-Protonenenergie 7000 GeV

-Relativistisches Gamma =7461

-Anzahl der Teilchen pro bunch 1,1 10

-Anzahl der bunches 2808

-transversale Emittanz

3.75

-gespeicherte Energie im Strahl 362 MJ

Schematischer ÜberblickSchematischer Überblick

• pp-Collider mit pp-Collider mit separaten separaten MagnetfeldernMagnetfeldern und und VakuumVakuum kammernkammern

• beide Strahlen teilen beide Strahlen teilen sich ca. 130m langes sich ca. 130m langes Rohr um die Rohr um die Wechselwirkungszone Wechselwirkungszone

Die LuminositätDie Luminosität

event event

2 2b b rev r

n

342

Anzahl der Events pro sec ist N L

N n f Luminosität L = F

4

Am LHC wird es 2 Experimente mit hoher

1(L=10 ,ATLAS, CMS) und zwei mit niedrig

cm s

32 272 2

er

1 1(L=10 für LHCB & L=10 für ALICE)

cm s cm s

Luminosität geben.

Der Atlas DetektorDer Atlas DetektorA TA Toroidal oroidal LLHC HC

AAparatuparatuSS

Startet wie LHC Ende 2007Startet wie LHC Ende 2007 Laufzeit ca. 15 JahreLaufzeit ca. 15 Jahre Durchmesser: 22m, Länge Durchmesser: 22m, Länge 46m46m Masse 7000tMasse 7000t 80m unter der Erde80m unter der Erde Hauptziel: Higgs, Susy …Hauptziel: Higgs, Susy … Kosten 350.000.000 €Kosten 350.000.000 €

1. Durchbruch 1. Durchbruch im Experimentim Experiment

ATLAS InhaltATLAS Inhalt

DesignkriterienDesignkriterien Inner-DetectorInner-Detector KalorimeterKalorimeter MagnetsystemeMagnetsysteme MyonspektrometerMyonspektrometer TriggerTrigger EventsEvents

ATLAS VideoATLAS Video

DesignDesign Kriterien Kriterien Hohe Präzision bei „primary and secondary Vertex resolution“Hohe Präzision bei „primary and secondary Vertex resolution“ Hohe Auflösung bei Transversalimpulsmessung von LeptonenHohe Auflösung bei Transversalimpulsmessung von Leptonen Tau-Lepton Erkennung Tau-Lepton Erkennung Schwere QuarksSchwere Quarks EM Kalorimetrie für Elektron/Photon mit hoher E-AuflösungEM Kalorimetrie für Elektron/Photon mit hoher E-Auflösung Had. Kalorimetrie mit hoher E-Auflösung und auch für fehlende Had. Kalorimetrie mit hoher E-Auflösung und auch für fehlende

E.E. Eff. Myon-Impulsmessung mit Zeitauflös. < kleiner als LHC BC-Eff. Myon-Impulsmessung mit Zeitauflös. < kleiner als LHC BC-

RateRate Hohe Akzeptanz der Pseudo-Rapidität (detektorabhängig)Hohe Akzeptanz der Pseudo-Rapidität (detektorabhängig) Triggering und präzise Messung für Teilchen mit kleinem Triggering und präzise Messung für Teilchen mit kleinem

Transversalimpuls (~20GeV/c²) hoffentlich möglichTransversalimpuls (~20GeV/c²) hoffentlich möglich

Innerer DetektorInnerer Detektor Pixel Detektor Pixel Detektor Semi-Conductor Tracker (SCT)Semi-Conductor Tracker (SCT) Transition Radiation Tracker (TRT)Transition Radiation Tracker (TRT) Umgeben von supraleitendem Central Solenoid Umgeben von supraleitendem Central Solenoid

Magnetsystem mit B=2TMagnetsystem mit B=2T

Der PixeldetektorDer Pixeldetektor

3 Zylinder von jeweils 4cm, 10cm, 13cm 3 Zylinder von jeweils 4cm, 10cm, 13cm RadiusRadius

5 Scheiben mit Radien von 11 bis 20cm 5 Scheiben mit Radien von 11 bis 20cm auf jeder Seiteauf jeder Seite

Pixel: 50Pixel: 50μμm x 300m x 300μμmm 10108 8 KanäleKanäle Bestmögliche Nähe zum WW-PunktBestmögliche Nähe zum WW-Punkt

Semi-Conductor Tracker (SCT)Semi-Conductor Tracker (SCT) 8 je um 408 je um 40μμrad verdrehte Lagen von Si-rad verdrehte Lagen von Si-

StreifenStreifen Spurmessung mit Auflösung von 16Spurmessung mit Auflösung von 16μμm m

transversal und 580transversal und 580μμm in Strahlrichtungm in Strahlrichtung Vorwärtsrichtung zusätzlich 9 doppelte Vorwärtsrichtung zusätzlich 9 doppelte

Scheiben mit gleich guter Auflösung in rScheiben mit gleich guter Auflösung in rΦΦ

Impulsmessung und VertexpositionImpulsmessung und Vertexposition

Transition Radiation Tracker (TRT)Transition Radiation Tracker (TRT)

„„straw“-Detektorstraw“-Detektor Xenon gefüllt dünne DriftröhrenXenon gefüllt dünne Driftröhren Dazwischen Radiatorfolien Dazwischen Radiatorfolien

(Übergangsstrahlung wird erzeugt)(Übergangsstrahlung wird erzeugt) 36 weitere Spurpunkte mit Auflösung 36 weitere Spurpunkte mit Auflösung

170170μμmm

Radiator

Röhrchen

Radiator

Röhrchen

KalorimetersystemKalorimetersystem

EM „Akkordeon“ KalorimeterEM „Akkordeon“ Kalorimeter Hadronisches Platten-KalorimeterHadronisches Platten-Kalorimeter Hadronic LAr End Cap Calorimeters (HEC)Hadronic LAr End Cap Calorimeters (HEC) Forward LAr Calorimeters (FCAL)Forward LAr Calorimeters (FCAL)

EM „Akkordeon“ EM „Akkordeon“ KalorimeterKalorimeter

•Pseudo-Rapidität: η= - ln { tan(θ/2) }•Blei – Liquid Argon Kalorimeter•24 Strahlungslängen im Mittelteil und 26 StL. „End Cap“•Teilchen durchlaufen vorher 2.3 StL. bei η=0•100.000 Kanäle

Hadronisches Platten-Hadronisches Platten-KalorimeterKalorimeter

||ηη| < 1,6| < 1,6 14mm dicke Eisenplatten als Absorber14mm dicke Eisenplatten als Absorber 3mm dicke Szintillatorplatten aus Polystyrol mit 3mm dicke Szintillatorplatten aus Polystyrol mit

Zusatzstoffen CZusatzstoffen C1818HH1414 (1,5%), C (1,5%), C2424HH1616NN22OO2 2 (0,04%) (beide (0,04%) (beide λλ-Schieber)-Schieber)

Zylinder mit Innen-/Außenradius von 2,28m / 4,25mZylinder mit Innen-/Außenradius von 2,28m / 4,25m 1 mittlerer Zylinder mit Länge 5,64m und 2 anschließende 1 mittlerer Zylinder mit Länge 5,64m und 2 anschließende

Zylinder von 2,65m Länge (dazwischen 68cm Lücke für Zylinder von 2,65m Länge (dazwischen 68cm Lücke für Auslese usw.)Auslese usw.)

Jeder Zylinder Jeder Zylinder 64 unabhängige Azimuthal-Module 64 unabhängige Azimuthal-Module Alle 3 Zylinder sind unterteilt in 3 Lagen mit 1,4Alle 3 Zylinder sind unterteilt in 3 Lagen mit 1,4λλ 4,0 4,0λλ 1,8 1,8λλ

bei bei ηη=0=0

((λλ ist die hadronische WW-Länge) ist die hadronische WW-Länge)

Hadronisches End Cap LAr Kal. (HEC)Hadronisches End Cap LAr Kal. (HEC)

2 unabhängige Scheiben 2 unabhängige Scheiben konzentrisch um das Strahlrohr mit konzentrisch um das Strahlrohr mit Außenradius 2,03mAußenradius 2,03m

||ηη| < 3,2 (in EM-Kal. Kühlung | < 3,2 (in EM-Kal. Kühlung integriert)integriert)

Nahe Scheiben: 25mm Cu-PlattenNahe Scheiben: 25mm Cu-Platten 2 äußere Scheiben 50mm Cu-Platten2 äußere Scheiben 50mm Cu-Platten Jede Scheibe besteht aus 32 ModulenJede Scheibe besteht aus 32 Modulen

Forward LAr Kalorimeter Forward LAr Kalorimeter (FCAL)(FCAL)

3,1 < |3,1 < |ηη| < 4,9 (wieder in EM End Cap | < 4,9 (wieder in EM End Cap Kühlungsregler integriert)Kühlungsregler integriert)

Nahe dem WW-Punkt Nahe dem WW-Punkt starke Strahlung starke Strahlung Daher hohe DichteDaher hohe Dichte 9,5 X9,5 X00, mit 3 Segmenten, mit 3 Segmenten 1. Kupfer als EM-Kalorimeter1. Kupfer als EM-Kalorimeter Beide hinteren Teile aus WolframBeide hinteren Teile aus Wolfram Mit Röhren in denen LAr als aktives Mit Röhren in denen LAr als aktives

MaterialMaterial FCAL: 3584 Kanäle insgesamtFCAL: 3584 Kanäle insgesamt

MagnetsystemeMagnetsysteme Innen: Innen:

• Central Solenoid (CS) Central Solenoid (CS) 2,0T 2,0T• (gleicher Vakuumbehälter wie EM-Kalorimeter)(gleicher Vakuumbehälter wie EM-Kalorimeter)

Außen:Außen:• Air-core Barrel Toroid (BT) Air-core Barrel Toroid (BT) 3,9T 3,9T• End Cap Toroid (ECT)End Cap Toroid (ECT) 4,1T 4,1T

ECT um 22,5° gegen BT gedreht, um Bahnkrümmung ECT um 22,5° gegen BT gedreht, um Bahnkrümmung in Überlappregionen zu optimierenin Überlappregionen zu optimieren

Jeweils 8 Spulen radial zum StrahlrohrJeweils 8 Spulen radial zum Strahlrohr Jeder der 8 BT Spulen besitzt eigenes KühlungssystemJeder der 8 BT Spulen besitzt eigenes Kühlungssystem ECT besitzt 2 große KühlungssystemeECT besitzt 2 große Kühlungssysteme Helium Helium 4,7°K (auch CS) 4,7°K (auch CS)

Myon Spektrometer (MS)Myon Spektrometer (MS)

4 Bestandteile:4 Bestandteile: Cathode Strip Chamber (CSCs) und Cathode Strip Chamber (CSCs) und

Monitored Drift Tubes (MDTs) sind Monitored Drift Tubes (MDTs) sind Präzisions-SpurkammernPräzisions-Spurkammern

Resistive Plate Chamber (RPCs) und Resistive Plate Chamber (RPCs) und Thin Gap Chamber (TGCs) sind Teil Thin Gap Chamber (TGCs) sind Teil des Level 1 Trigger Systemsdes Level 1 Trigger Systems

Präzisionsspurkammern Präzisionsspurkammern (CSCs und MDTs)(CSCs und MDTs)

3 zylindrische Lagen in der Mitte3 zylindrische Lagen in der Mitte 4 Scheiben in den äußeren Bereichen4 Scheiben in den äußeren Bereichen Jeweils 2 mehrfache Lagen von CSCs nahe dem WW-Jeweils 2 mehrfache Lagen von CSCs nahe dem WW-

Punkt und 3 mehrfache Lagen von MDTs weiter außenPunkt und 3 mehrfache Lagen von MDTs weiter außen CSC: multi-wire Proportionalkammern mit CSC: multi-wire Proportionalkammern mit

Ortsauflösung von 50Ortsauflösung von 50μμmm

MDT: 70 - 630cm lange Aluminiumröhre MDT: 70 - 630cm lange Aluminiumröhre mit Durchmesser von 30mmmit Durchmesser von 30mm

Gefüllt mit Ar-COGefüllt mit Ar-CO22 –Mischung, mit Einzelauflösung 80 –Mischung, mit Einzelauflösung 80 μμmm

Monitored Monitored optische Überwachung der mech. optische Überwachung der mech. VerformungVerformung

RPCs und TGCsRPCs und TGCs

Narrow gas gap Chambers aus zwei Narrow gas gap Chambers aus zwei widerstandsfähige Platten (isoliert)widerstandsfähige Platten (isoliert)

Gefüllt mit CGefüllt mit C22HH22FF66 und SF und SF66 Mischung Mischung 2 Lagen von Strips zur Auslese (rechtw.)2 Lagen von Strips zur Auslese (rechtw.) Orts- / Zeitauflösung 1cm / 1nsOrts- / Zeitauflösung 1cm / 1ns

Multi-wire Porportionalkammern mit kleinem Multi-wire Porportionalkammern mit kleinem Abstand zwischen Kathode – AnodeAbstand zwischen Kathode – Anode

COCO22 und n-C und n-C55HH1212 Mischung Mischung Gute Zeitauflösung und zusammen mit RPCs Gute Zeitauflösung und zusammen mit RPCs

Bildung von Triggerlevel 1Bildung von Triggerlevel 1

Level 1 TriggerLevel 1 Trigger

Hardware TriggerHardware Trigger LHC produziert 40 MHz * 23 events = 960 LHC produziert 40 MHz * 23 events = 960

MHzMHz Reduziert auf ca. 75 kHzReduziert auf ca. 75 kHz Identifiziert Regions of Interest (RoI)Identifiziert Regions of Interest (RoI) Kein Tracking -> zu hoher FlussKein Tracking -> zu hoher Fluss Weiterleitung zu Level 2Weiterleitung zu Level 2 RoI-Builder combiniert verschiedene RoI-Builder combiniert verschiedene

TeildetektorenTeildetektoren

High Level Trigger System (HLT)High Level Trigger System (HLT)

Nach LVL 1 trotzdem noch Nach LVL 1 trotzdem noch 160Gbyte/s160Gbyte/s

Hochwertiges HLT nötigHochwertiges HLT nötig Bestehend aus Bestehend aus Level 2Level 2 und und

EventfilterEventfilter Eventrate auf O(100)Hz reduzierenEventrate auf O(100)Hz reduzieren ca. 1,5 Mbyte pro Eventca. 1,5 Mbyte pro Event Kapazität ca. einige hundert Mbyte/sKapazität ca. einige hundert Mbyte/s

Level 2Level 2

Eingang 75 kHzEingang 75 kHz Schnelle aber limitierte PräzisionsalgorithmenSchnelle aber limitierte Präzisionsalgorithmen Nutzt nur ca. 2% der Eventdaten (RoI)Nutzt nur ca. 2% der Eventdaten (RoI) Aber: restliche Eventdaten bleiben in PipelineAber: restliche Eventdaten bleiben in Pipeline Mittlere Rechenleistung nötigMittlere Rechenleistung nötig ca. 10 ms pro Eventca. 10 ms pro Event Ausgang 1 kHzAusgang 1 kHz

Event FilterEvent Filter

Eingang 1 kHzEingang 1 kHz Vollständige Eventdaten (keine RoI)Vollständige Eventdaten (keine RoI) Langsame aber genaue Langsame aber genaue

Präzisionsalgorithmen Präzisionsalgorithmen Sehr hohe RechenleistungSehr hohe Rechenleistung Ausgang 100 HzAusgang 100 Hz ca. 1s Rechenzeit pro Eventca. 1s Rechenzeit pro Event Eventspeicherung auf BandEventspeicherung auf Band

• Riesige Unterschiede in Größenordnungen der WQS

• inklusiv Rate 6 MHz

• inklusive W-Produktion 300 Hz

• StM Higgs (120 GeV) 0.001 Hz

• Unvoreingenommene und effiziente Algorithmen

Event selection StrategieEvent selection Strategie

) 0.6( b mbb

H

Physikalische Trigger ObjektePhysikalische Trigger ObjekteElektron (|Elektron (|ηη|<2.5)|<2.5) Schauer in LAr passend zu Track mit Schauer in LAr passend zu Track mit

hohem phohem pTT

Photon (|Photon (|ηη|<2.5)|<2.5) Schauer in LAr, Track Veto, Schauer in LAr, Track Veto, IsolationskriteriumIsolationskriterium

Myon (|Myon (|ηη|<2.4)|<2.4) P und Q aus Myonsystem passend zu P und Q aus Myonsystem passend zu Track aus Inner Detector, Track aus Inner Detector, IsolationskriteriumIsolationskriterium

Tauon (|Tauon (|ηη|<2.5)|<2.5) Hadronischer Zerfall, ev. TrackHadronischer Zerfall, ev. Track

Jet (|Jet (|ηη|<3.2)|<3.2) Kalorimeter+passende TracksKalorimeter+passende Tracks

B-Jet (|B-Jet (|ηη|<2.5)|<2.5) Zusätzlicher Stoßparameter oder Zusätzlicher Stoßparameter oder secondary Vertexsecondary Vertex

EETTmissmiss (|(|ηη|<4.9)|<4.9) Gesamte KalorimeterdatenGesamte Kalorimeterdaten

ΣΣ E ET T (|(|ηη|<4.9)|<4.9) Gesamte Kal.-daten+ev.MyonsystemGesamte Kal.-daten+ev.Myonsystem

Benennungsschema: NoXXi (2e15i)Benennungsschema: NoXXi (2e15i)(N: min. Anzahl der Objekte, o: Objekt, (N: min. Anzahl der Objekte, o: Objekt, XX: Schwellwert, i: Isolationskriterium)XX: Schwellwert, i: Isolationskriterium)

Inclusive physics triggers (Basistriggersystem), Bsp.: Inclusive physics triggers (Basistriggersystem), Bsp.: 60 i, 2 20i für Zerfall des Higgs60 i, 2 20i für Zerfall des Higgs

Prescaled physics triggersPrescaled physics triggersBsp.: 1Tau, 2 Tau (verschiedene Schranken, Bsp.: 1Tau, 2 Tau (verschiedene Schranken,

für Zfür Z 2xTau) 2xTau) Exclusive physics triggersExclusive physics triggers

Bsp.: e20i+xE25 für WBsp.: e20i+xE25 für Wevev

Monitor and Calibration triggersMonitor and Calibration triggersBsp.: e25 Bsp.: e25 Stellt Triggereffiziens für e25 dar Stellt Triggereffiziens für e25 dar

Trigger MenuTrigger Menu

Abgelehnt!!!

muonmuon

muonmuon

Akzeptieren oderVerwerfen?

Akzeptieren!Supersymmetrie

01

02

01

~~~

~~

ddd

uu

L

R

Abgelehnt!!!

énergieénergie

énergieénergie

muonmuon

Accepter!boson Higgs

bbHW

Akzeptieren oderVerwerfen?

Fanartikel (www.atlas.ch)Fanartikel (www.atlas.ch)

3d-Viewer3d-Viewer

T-Shirts T-Shirts und und PosterPoster

Der CMS DetektorDer CMS Detektor

((CCompact ompact MMuon uon SSolenoid)olenoid)

ÜberblickÜberblick

1. Motivation und Aufgabe1. Motivation und Aufgabe 2. Aufbau2. Aufbau 2.1 Spurkammer2.1 Spurkammer 2.2 Kalorimeter2.2 Kalorimeter 2.3 Das Magnetfeld2.3 Das Magnetfeld 2.4 Myonenkammer2.4 Myonenkammer 2.5 Trigger und DAQ2.5 Trigger und DAQ

1.Der Detektor:1.Der Detektor:Motivation und AufgabenMotivation und Aufgaben

• CMS ist „komplementärer“ Detektor CMS ist „komplementärer“ Detektor zu Atlaszu Atlas

• Unterschiedliche Designs garantieren Unterschiedliche Designs garantieren bessere Untermauerung der bessere Untermauerung der Messdaten Messdaten

• Hauptsächlich Nachweis von Myonen Hauptsächlich Nachweis von Myonen mit hohem transversalen Impuls, mit hohem transversalen Impuls, Elektronen und PhotonenElektronen und Photonen

2. Aufbau2. Aufbau

Wesentliche Elemente: Wesentliche Elemente:

• zentraler Spurdetektorzentraler Spurdetektor

• hochwertiges elektromagnet. hochwertiges elektromagnet. KalorimeterKalorimeter

• hermitesches hadronisches Kalorimeterhermitesches hadronisches Kalorimeter

• hervorragender Myonendetektorhervorragender Myonendetektor

CMS - LängsschnittCMS - Längsschnitt

Querschnitt des CMS DetektorsQuerschnitt des CMS Detektors

2.1 Die Spurkammern2.1 Die Spurkammern

Aufgaben:Aufgaben:• SpuridentifizierungSpuridentifizierung• ImpulsmessungImpulsmessung• Vertexidentifizierung Vertexidentifizierung

Pixel DetektorPixel Detektor

• 2 Schichten im 2 Schichten im Abstand (7 Abstand (7 und 11) cm vom Strahlund 11) cm vom Strahl

• An Enden (6 und 15) An Enden (6 und 15) cm Pixelschichten aus cm Pixelschichten aus modularen modularen DetektoeinheitenDetektoeinheiten

• Jedes Modul hat eine Jedes Modul hat eine Sensorplatte mit Read Sensorplatte mit Read Out Chips (ROC)Out Chips (ROC)

Pixel DetektorPixel Detektor

2

Jeder Sensorpixel ist mit

einer Pixeleinheit auf ROC

Verbunden

Die Daten werden gelagert

und warten auf Trigger-

Information

Zellgröße ist 150x150 m

Silikon StreifendetektorSilikon Streifendetektor

-4 innere Schichten

-6 äußere Schichten

-An den Enden jeweils 2

Endcaps

-Blau: doppelseitig

-Die Endcaps erfassen eine

Pseudorapidität von =2,5

z.B. z.B. ImpulsmessungImpulsmessung

T

-Solenoid Feld krümmt Tracks in (r, ) Ebene

-Impuls durch Krümmung im Magnetfeld

-Bahn im B-Feld senkrecht zur Geschwindigkeit

-Spurrekonstruktion ergibt R p =0,3 B R

-Kombination des Spursystems mit

jjjjjjjjjjjjjj

äußerer Myonen-

kammer sehr hohe Genauigkeit

2.2 Die Kalorimeter2.2 Die Kalorimeter• Wie immer elektromagnetisch und hadronischWie immer elektromagnetisch und hadronisch

• Elektronen, Photonen und Hadronen gestoppt und Elektronen, Photonen und Hadronen gestoppt und deren Energie gemessenderen Energie gemessen

• wichtig ist die Vermessung von em. und wichtig ist die Vermessung von em. und hadronischen Schauernhadronischen Schauern

• z.B. ein Higgsteilchen mit Masse (100-140)GeV z.B. ein Higgsteilchen mit Masse (100-140)GeV zerfällt bevorzugt in 2 Photonen zerfällt bevorzugt in 2 Photonen EM-Schauer EM-Schauer

• Desweiteren Pre-Showerdetektor und Desweiteren Pre-Showerdetektor und ForwardkalorimeterForwardkalorimeter

2.3 Das Magnetfeld2.3 Das Magnetfeld• Wahl des Magnetfeldes ist wichtigster Wahl des Magnetfeldes ist wichtigster

Aspekt:Aspekt:

• starkes zentrales Solenoid-Feld (4 T) starkes zentrales Solenoid-Feld (4 T) (Vermessung der Teilchenspuren geladener Teilchen)(Vermessung der Teilchenspuren geladener Teilchen)

• Rückflussjoch Rückflussjoch (zum (zum weiteren Vermessen der Myonen)weiteren Vermessen der Myonen)

CMS – „Baukasten“CMS – „Baukasten“

Erzeugung des MagnetfeldesErzeugung des Magnetfeldes• magnetischer Fluss wird magnetischer Fluss wird

durch 1,5m dickes Eisenjoch durch 1,5m dickes Eisenjoch umgekehrtumgekehrt

• Joch ist unterteilt in Barrel- Joch ist unterteilt in Barrel- und Endcapregion und Endcapregion

• Barrel (in 5 Ringe aufgeteilt) Barrel (in 5 Ringe aufgeteilt) ist 13,20m lang und wiegt ist 13,20m lang und wiegt 7000t7000t

• jeder Ring aus 3 jeder Ring aus 3 EisenschichtenEisenschichten

• zentraler Barrelring ist der zentraler Barrelring ist der einzig stationäreeinzig stationäre

• alle anderen und die Endcaps alle anderen und die Endcaps sind beweglich (um die sind beweglich (um die Myonenstationen warten zu Myonenstationen warten zu können)können)

• Endcaps wiegen jeweils Endcaps wiegen jeweils 2300t2300t

Warum gerade so ein Magnetfeld?Warum gerade so ein Magnetfeld?• Wollen Impuls bestimmen Wollen Impuls bestimmen hohe hohe

Auflösung entweder durch große Auflösung entweder durch große Krümmungskraft oder sehr hoher Präzision Krümmungskraft oder sehr hoher Präzision im Aufbau des Detektorsim Aufbau des Detektors

• Für gleiche Krümmungskraft ist solenoide Für gleiche Krümmungskraft ist solenoide kleiner als toroidale Anordnungkleiner als toroidale Anordnung

• Wenn das Feld parallel zum Strahl, dann ist Wenn das Feld parallel zum Strahl, dann ist die Krümmung der Myonenspur in der zum die Krümmung der Myonenspur in der zum Strahl senkrechten EbeneStrahl senkrechten Ebene hohe Auflösung hohe Auflösung des Vertex in transversaler Positiondes Vertex in transversaler Position

• Starke Krümmung erlaubt Auszählen von Starke Krümmung erlaubt Auszählen von Spuren, die vom Vertex kommen.Spuren, die vom Vertex kommen.

Das MagnetfeldDas Magnetfeld

• Die Spule ist in einem Vakuumtank untergebrachtDie Spule ist in einem Vakuumtank untergebracht

• In der Spule selbst befinden sich der Tracker, das In der Spule selbst befinden sich der Tracker, das elektromagnet. und das hadronische Kalorimeterelektromagnet. und das hadronische Kalorimeter

Magnetfeld des CMS DetektorsMagnetfeld des CMS Detektors

Vermessung der MyonenVermessung der Myonen• Myonendetektoren liegen hinter SpuleMyonendetektoren liegen hinter Spule• 4 Myonenstationen liegen zwischen 4 Myonenstationen liegen zwischen

Eisenjochplatten Eisenjochplatten • Aufbau: konzentrischer Zylinder (um den Strahl) Aufbau: konzentrischer Zylinder (um den Strahl)

in der Mitte des Detektors und Scheiben in der Mitte des Detektors und Scheiben senkrecht zum Strahl an den Enden des Detektorssenkrecht zum Strahl an den Enden des Detektors

• Absorbermaterial so dick, dass nur Myonen (und Absorbermaterial so dick, dass nur Myonen (und Neutrinos) in den Bereich kommen Neutrinos) in den Bereich kommen

• Aber Probleme mit dem Untergrund (z.B. Aber Probleme mit dem Untergrund (z.B. hadronische Schauer durch harte myonische hadronische Schauer durch harte myonische Bremsstrahlung)Bremsstrahlung)

• Deshalb 4 Stationen, von denen mindestens zwei Deshalb 4 Stationen, von denen mindestens zwei

ansprechen müssenansprechen müssen

Drift TubesDrift Tubes• dort wo Magnetfeld im dort wo Magnetfeld im

Eisenjoch gefangen Eisenjoch gefangen eingesetzteingesetzt

• jedes Rohr enthält einen jedes Rohr enthält einen DrahtDraht

• Rohre in Schichten Rohre in Schichten angeordnetangeordnet

• nur Signale von Drähten nur Signale von Drähten wenn ionisierendes wenn ionisierendes Teilchen durch Rohr Teilchen durch Rohr Elektronen fliegen Elektronen fliegen zum positiven Potentialzum positiven Potential

• sehr genaue Vermessung sehr genaue Vermessung der Ebene senkrecht zum der Ebene senkrecht zum DrahtDraht

Cathode Strip ChambersCathode Strip Chambers• werden in Endcapregion ver-werden in Endcapregion ver-

wendet (Magnetfeld groß und wendet (Magnetfeld groß und inhomogen)inhomogen)

• CSC sind CSC sind Vieldrahtproportionalitäts-Vieldrahtproportionalitäts-kammernkammern

• jede Kathodenebene unterteilt jede Kathodenebene unterteilt in Streifen mit gekreuzten in Streifen mit gekreuzten DrähtenDrähten

• LawinenbildungLawinenbildung Ladung auf Ladung auf verschiedene Streifenverschiedene Streifen

• sehr genaue Orts-und sehr genaue Orts-und ZeitauflösungZeitauflösung

• sehr schneller Detektor sehr schneller Detektor besonders geeignet zum besonders geeignet zum TriggernTriggern

Resistive Parallel Plate ChambersResistive Parallel Plate Chambers

• schneller Gasdetektorschneller Gasdetektor• Basis für TriggerprozeßBasis für Triggerprozeß• sehr gute Raum- und sehr gute Raum- und

ZeitauflösungZeitauflösung• 2 parallele Platten und 2 parallele Platten und

Elektroden aus extrem Elektroden aus extrem widerstandsfähigem widerstandsfähigem PlastikmaterialPlastikmaterial

• EM-Feld im RPC ist gleichförmigEM-Feld im RPC ist gleichförmig• Elektronen machen Elektronen machen

SekundärionisationSekundärionisation detektierte Signal von allen detektierte Signal von allen LawinenLawinen

• wird in Barrel- und wird in Barrel- und Endcapregion eingesetztEndcapregion eingesetzt

Trigger Geometrie (Myonkammer)Trigger Geometrie (Myonkammer)

Das Trigger SystemDas Trigger System

342

9

7

1-CMS Trigger ist für L=10

cm s

ausgelegt

-müssen die Rate 10 /s um

Faktor 10 auf 100/s reduzieren

-CMS in 2 Schritten

(Level1 und HLT)

-Level1 speichert max. 3 s

nicht mehr als 100kHz HLT

Das Trigger SystemDas Trigger SystemVergleich der Bunch Crossing FrequenzVergleich der Bunch Crossing Frequenz

Das 2 Stufen Trigger System von CMSDas 2 Stufen Trigger System von CMS

Level1 Trigger- DatenflussLevel1 Trigger- Datenfluss

HFHF HCALHCAL ECALECAL RPCRPC CSCCSC DTDT

PatternComparator

Trigger

RegionalCalorimeter

Trigger

4 4 4 4 4+4 4+4

4 4 (with MIP/ISO bits)(with MIP/ISO bits)

MIP+MIP+ISO bitsISO bits

e, J, Ee, J, ETT, H, HTT, E, ETTmissmiss

Calorimeter Trigger Muon Trigger

max. 100 kHz L1 Accept

Global Trigger

Global Muon Trigger

GlobalCalorimeter

Trigger

Local DT Trigger

Local CSC Trigger

DT TrackFinder

CSC TrackFinder

40

MH

z p

ipe

line

, la

tenc

y <

3.2

s

Trigger Strategie für Level1Trigger Strategie für Level1

T T

-lokal: Messung von Energie in einzelnen Kalorimeterzellen

Bestimmung von Spurpunkten im Myonendetektor

-regional: Identifikation der Teilchensignatur

Messung von p ,E

T T

missT T

,.... und der Ortskoordinaten

-global: Sortieren nach p /E 4 beste jeden Typs

Bestimmung der Summe E ,E für 8 Schwellwerte

LVL1 LVL1 HLT HLT

Level-1 (~µs) 40 MHz High-Level ( ms-sec) 100 kHzEvent Size ~ 106 Bytes

Level-1 (~µs) 40 MHz High-Level ( ms-sec) 100 kHzEvent Size ~ 106 Bytes

40 MHzClock drivenCustom processors

100 kHzEvent drivenPC networkTotally software

100 HzTo mass storage

two trigger levelstwo trigger levels

Trigger Geometrie (Kalorimeter)Trigger Geometrie (Kalorimeter)

UnterschiedeUnterschiedeAtlas CMSAtlas CMS

QuellenQuellen „„Atlas Technical Design Report“, (CERN 10.2003)Atlas Technical Design Report“, (CERN 10.2003) Diplomarbeit, Tobias Raufer (Uni Freiburg, 03/2003)Diplomarbeit, Tobias Raufer (Uni Freiburg, 03/2003) Diplomarbeit, Ingo Reisinger (Uni Dortmund, 02/2006)Diplomarbeit, Ingo Reisinger (Uni Dortmund, 02/2006) „„Ein Universum voller Teilchen“ , Martin zur NeddenEin Universum voller Teilchen“ , Martin zur Nedden „„Atlas Experiment“, P. Jenni (Vortrag am DESY HH, Atlas Experiment“, P. Jenni (Vortrag am DESY HH,

02/2006)02/2006) www.atlas.cern.chwww.atlas.cern.ch www.atlas.chwww.atlas.ch www.cms.cern.chwww.cms.cern.ch „„Die Higgs Suche“, Stefan Kasselmann (06/2001)Die Higgs Suche“, Stefan Kasselmann (06/2001) „„Detektoren in der Teilchenphysik“, Detektoren in der Teilchenphysik“,

Martin zur Nedden (07/2006)Martin zur Nedden (07/2006)