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Schwerionen-Detektoren

Schwerionen-Detektoren . Das ALICE Experiment als Beispiel für eine “Teilchenidentifikationsmaschine”. Christian Lippmann, CERN DPG Schule über Beschleuniger- und Hochenergiephysik 6. - 10. Juli 2009. Unterschiede zwichen Hochenergie - und Schwerionenphysik am LHC Einführung in ALICE

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Schwerionen-Detektoren

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  1. Schwerionen-Detektoren Das ALICE Experiment als Beispiel für eine “Teilchenidentifikationsmaschine” Christian Lippmann, CERN DPG Schule über Beschleuniger- und Hochenergiephysik 6. - 10. Juli 2009

  2. UnterschiedezwichenHochenergie- und Schwerionenphysik am LHC • Einführung in ALICE • AusgewählteDetektorelemente: • Zeitprojektionskammer (TPC), • Übergangsstrahlungsdetektor (TRD), • Flugzeitdetektor (TOF). • Zusammenfassung Übersicht

  3. Hochenergie- und Schwerionenphysik

  4. DerTeilchenzoo • Um 1935 war die Situation der Kern- und Elementarteilchenphysikrecht übersichtlich. Man kannte • zwei schwere Teilchen, die Bestandteile der Atomkerne: • Protonen und Neutronen • zwei leichte Teilchen • Elektron und Neutrino (nur postuliert) • Und die jeweiligen Antiteilchen. • Dann wurden in kosmischer Höhenstrahlung und später an Beschleunigern (nach 1959) eine ganze Schar neuer Teilchen entdeckt. • Heute kennt man mehrere Hundert Elementarteilchen.

  5. DerTeilchenzoo (2) • Von diesenhundertenTeilchenhabennur 14 eine“Lebensdauer”ct > 0.5mm, dassheisstsiekönnen in einemDetektorgemessenwerdenc = Lichtgeschwindigkeit, t = Lebensdauer). • Von diesen 14 Teilchensind die folgenden 8 am weitaushäufigsten: • Elektron/Positron: e- / e+ • Muonen: m- / m+ • Photonen: g • Pionen: p+ / p- • GeladeneKaonen: K- / K+ • NeutraleKaonen: K0 • (Anti-)protonen: p+ / p- • (Anti-)neutonen: n • In einemHochenergiephysik- oderSchwerionenexperimentsolltenalledieseTeilchengemessen und identifiziertwerdenkönnen.

  6. Experimente am LHC • WirwerdenzwischenzweiArten von ExperimentenUnterscheiden: • ATLAS und CMS sindHochenergiephysik-Experimente • ALICE isteinSchwerionen-Experiment • ImFolgendenwerdenzunächstdie Unterschiede (und Gemeinsamkeiten) dagestellt.

  7. Ziele von Hochenergiephysik-experimenten • ErzeugungneuerTeilchen • BestätigungfundamentalerTheorien • Man verwendetmöglichsthoheEnergien • Beispiel: Die Suchenachdem HiggsTeilchen am LHC • Zerfallbeispielsweise in 4 Muonen • Diesemüssennachgewiesenwerden •  DerDetektor muss in allenRaum-richtungenMuonennachweisenkönnen.

  8. Zielevon ExperimentenmitSchwerionen (1) • Kollision von vergleichsweisegroßenObjektenimBeschleuniger: • Schwerionen(beispielsweiseKerne von Bleiatomen) • Kurzzeitigsolleinsehrhochener-getischesPlasma quasi-freierQuarks undGluonenerzeugtwerden.

  9. Zielevon ExperimentenmitSchwerionen (2) • Auf diese Weise sollenverschiedenegrundlegendeFragenbeantwortetwerden, z.B.: • Was passiert, wenn man Materie auf das biszu 100000fache derTemperaturimInnernderSonneheizt? • WarumwiegenProtonen und Neutronen 100 mal so vielwie die Quarks ausdenensiebestehen? • Können Quarks in den Protonen und Neutronenbefreitwerden?

  10. Quark-“Confinement” Mit zunehmendem Abstand bleibt die Kraft zwischen den Quarks konstant. Versucht man zwei Quarks auseinanderzubringen, so muss man so viel Energie aufwenden, dass daraus irgendwann ein neues Quark-Antiquark Paar erzeugt wird

  11. Quark-Gluon-Plasma Quarks eingeschlossen in farbneutrale Hadronen Freie Quarks und Gluonen im Quark-Gluonen-Plasma AufheizenoderKomprimieren

  12. Vergleich von Schwerionen- undHochenergiephysik Experimenten

  13. HochenergiephysikEreignis Simulated Event in CMS

  14. SchwerionenphysikEreignis Simulated Event in ALICE

  15. Sonden in Quark-GluonPlasma (1) • Woherwissenwir, dassfürkurzeZeitein Quark-Gluon-Plasma (QGP) entstandenist? • Wirverwenden “Sonden”, wiezumBeispieldas sogenannteJ/-Teilchen, welchesim QGP zerfällt. • Wennsich die Eigenschaften (Masse, Häufigkeit) des J/- ändern, so erlaubt dies Rückschlüsse auf das QGP. J /

  16. Sonden in Quark-GluonPlasma (2) • 2 wichtigeZerfälle: • J/  e+ e – (0.73%) • J/  m+ m- (0.73%) • Die Elektronen und MyonenunterliegennichtderstarkenWechselwirkung • Auf ihremWegdurch das QGP werdensiedeshalbnichtabgelenkt e+ • Zielist also das Auffinden von e+ e – - Paarenundm+ m-- Paaren. J / e-

  17. Einführung ALICE

  18. ALICE:ALarge Ion Collider Experiment • ALICE ist das eigensderSchwerionenphysikgewidmete Experiment am LHC: • Blei-BleiKollisionenbei 5.5 TeV pro Nukleonenpaar. • DetaillierteStudienderHadronen, Elektronen, Muonen und Photonen, die in den Kollisionenproduziertwerden. • ALICE bestehtaus18 verschiedenenDetektorsystemen. • Von diesenwerden 3 in diesemVortragbeschrieben. • Jedesdavon hat einebestimmteAufgabe • Spurverfolgung (“Tracking”) • IdentifikationbestimmterTeilchen in bestimmtenImpulsbereichen • ALICE benutztallebekanntenMethodenzurTeilchenidentifikation • Von diesenwerdenebenfalls 3 in diesemVortragbeschrieben.

  19. Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tons Detectors:18 20

  20. 1) ALICE TPC(Time Projection Chamber)

  21. Gasvolumen ProportionalkammeroderandererAuslesedetektor WiefunktionierteineTPC (1) • TPC = Zeitprojektionskammer • Eine TPC isteineinfacher, abersehreffektiverTeilchendetektor • Man braucht • Einmit Gas gefülltesVolumen • Einhomogeneselektri-schesFeld • Eindazuparalleles, homogenesmagneti-schesFeld • Ausleseelemente an einerodermehrerenOberflächen des Volumens B E y x z

  22. WiefunktionierteineTPC (2) track ofcharged particle EingeladenesTeilchenionisiert auf demFlugdurch die TPC das Driftgas Die freigesetztenElektronendriftenzu den Ausleseelementen Die projizierteTeilchenspurwirddetektiert Die dritteRaumkoordinatewirdüber die Driftzeitberechnet drift E y x z

  23. WiefunktionierteineTPC (3) track ofcharged particle • Das Magnetfeldsorgtdafür, dass die Teilchenspurengebogensind, so dasssichderImpuls des Teilchensberechnenlässt • pT= 0.3 BR, mitB = Magnetifeldstärke in Tesla;R = Radius derTeilchenspurin m • Bonus: ImAllgemeinenverringert das Magnetfeldauch die Diffusion derdriftendenElektronen! B drift E y x z

  24. Was machteine TPC so speziell? • 3D Koordinatenmessung von Teilchenspuren • HoheGranularität • KontinuierlicheTeilchenspuren • Wenig Material  wenigStreuung (AblenkungderTeilchenspuren) • Teilchenidentifikationüber den spezifischenEnergieverlust (dE/dx) • BeidePunktewerdenimFolgendennäherbeschrieben

  25. Ausleseebene Koordinatenmessungmiteiner TPC (1) • Die z-KoordinatewirdanhandderDriftzeitt und derDriftgeschwindigkeitvdberechnet. z Teilchenspur Projektion y x

  26. Koordinatenmessungmiteiner TPC (2) • Die Drift von Elektronenin Eund BFeldern: •  <<1: Drift entlangE-Feldlinien. •  >>1: Drift entlangB-Feldlinien.

  27. Koordinatenmessungmiteiner TPC (3) x y anode wires • Die Ausleseebeneist in “Pads” unterteilt • Die driftendenElektronenwerden an Anodendrähten in Lawinenmultipliziert • ElektrischeSignalewerdenauf 2 oder 3 nebeneinander-liegenden Pads induziert. • Das VerhältnisderSignalhöhenwirdverwandt, um die Position derTeilchenspurmitPräzisionbessereralsderPadgrößewzubestimmen. pads projected track w drifting electrons z y avalanche anode wire readoutelectronics

  28. Koordinatenmessungmiteiner TPC (4) • Annahme: 2 SignalamplitudenA1und A2. • Padbreitew. • Die Funktion A1 / A2 = P0() / P0(-w),kannverwendetwerden, um die Signalpositionzubestimmen. • P0 (Pad ResponseFunction) isteineFunktion, die gemessenoderberechnetwerdenkann. anode wire z signal amplifier y • 

  29. Teilchenidentifizierungmiteiner TPC (1) • GeladeneTeilchendeponierenEnergieimGasvolumender TPC.

  30. Teilchenidentifizierungmiteiner TPC (2) • DerEnergieverlustistabhängigvomTeilchenimuls • In bestimmtenImpulsbereichenkönnenverschie-deneTeilchenauseinanderge-haltenwerden

  31. Die ALICE TPC • Die größtejemalsgebaute TPC • L=5 m • Ø = 5 m • 90m3 • Driftgas: Ne/CO2/N2(86/9.5/4.5%) • Driftzeit: 92 s • Ausleseelektronikmit~570 000 Kanälen( ~570 Mio Pixel) 32

  32. Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tons Detectors:18 33

  33. TPC in June 2006 Installation derALICE TPC • Field Cage Assembly: 2002-04 • Readout Chamber Installation: 2005 • Electronics Installation: 2006 • Installation in cavern: 2007 • Commissioning/Calibration: 2007-09 34

  34. EreignismitkosmischerStrahlung

  35. Teilchenidentifizierungmitder ALICE TPC • BishernurMessungenmitkosmischerStrahlung • Da das ALICEExperimentunterderErdeliegt,erreichennurMuonendie TPC resolution: measured 5.7% design 5.5% ALICE TPCJune 20085 000 000 events Cosmic triggerB=0.5T

  36. transverse momentum resolution, B=0.5 T Koordinatenmessungmitder ALICE TPC • BishernurMessungenmitkosmischerStrahlung • Die erreichteImpulsauflösungwirdsichdurchbessereKalibrierungnochverbessern resolution at 10 GeV: measured 6.0% design 4.5%

  37. 2) ALICE TRD(Transition Radiation Detector) TRD

  38. Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tons Detectors:18 40

  39. Der ALICE TRD (1) • TRD = Übergangsstrahlungsdetektor • Aufgabe in ALICE: • SchnelleElektronenidentifizieren(Pion Rejection Factor 100) • KoordinatenmessungzusammenmitderTPC • “Trigger” auf schnelleElektronen(Startet die Auslese vonALICE imFalleinteressanterEreignisse)

  40. Der ALICE TRD (2) • Es handeltsich um einenGasdetektor, ähnlichder TPC • geladeneTeilchenionisieren das Driftgas • die freigesetztenElektronendriften, werdenmultipliziert und ein Signal wird auf Auslesepadsinduziert • Zusätzlichwird von schnellenElektronen (und nur von diesen) sogenanneÜbergangsstrahlungerzeugt

  41. Der ALICE TRD (2) • NurElektronenerzeugen die Übergangsstrahlung

  42. Übergangsstrahlung (1) • Übergangsstrahlung entsteht, wenn ein geladenes, hochrelativistisches Teilchen die Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten ε passiert. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt typischerweise im Bereich des Röntgenspektrums. • AnschaulicheErklärung: • Ein geladenes Teilchen erzeugtim Medium der anderen Dielektri-zitätskonstanten eine Spiegelladung. • Zusammen mit der sich näherndenTeilchenladung stellt diese einenveränderlichen Dipol dar. Dieserveränderliche Dipol strahltPhotonen ab. ε

  43. Übergangsstrahlung (2) • Man verwendetgestapeleFoilienoderunregel-mäßigeMaterialien

  44. ÜbergangsstrahlungfürTeilchenidentifizierung (1) • SignalamplitudealsFunktionderDriftzeit • Simulation ohneBerücksichtigungderÜbegangsstrahlung

  45. ÜbergangsstrahlungfürTeilchenidentifizierung (2) • DerUnterschied in den Signalamplituden und in derSignalformwirdverwendet um Elektronen von Pionenzuunterscheiden. • SignalamplitudealsFunktionderDriftzeit • Rote Linie: SimulationmitÜbergangsstrahlung

  46. Der ALICE TRD (3) • 540 Auslesekammern in • 18 Supermodulen • mit je 6 Ebenen • Driftgas: Xe/CO2(85/15) • > 1 Mio Auslesekanäle Gas Radiator Gas Radiator Gas Radiator Gas Radiator Gas Gas Radiator Radiator

  47. Der ALICE TRD Trigger (1) • Gesuchtwerden in derDatenflutversteckteschnelleElektronenpaare (Erinnerung: J/  e+ e –) • Dafürstehen <7s zurVerfügung

  48. Der ALICE TRD Trigger (2) Während die Signalenochaufgenommenwerden (währendderDriftzeit) werden die DatennachschnellenElektronen-kandidatendurchsucht Die Datender 6 Ebenenwerden in einer “Global Tracking Unit” kombiniert. Elektronenpaarewerdengesucht

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