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Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger

Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger. Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück (Peter Schleper) Universit ä t Hamburg Winter-Semester 2004/05. Übersicht. Allgemein: Gas-betriebene Spurkammern Prinzipien Von Ionisationskammern über Proportionalzähler zu Geiger-Zählern

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Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger

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  1. Der CMS-Detektor II Gas-Detektoren, Muon-Kammern, Trigger Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück(Peter Schleper) Universität HamburgWinter-Semester 2004/05

  2. Übersicht • Allgemein: Gas-betriebene Spurkammern • Prinzipien • Von Ionisationskammern über Proportionalzähler zu Geiger-Zählern • MWPC, DC, TPC, MSGC, etc. • CMS: Muon-Detektoren • Motivation • Präzisionskammern zur Spurmessung • Resistive Plate Chambers zum Triggern • ATLAS • Einführung • Trigger Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  3. 1. Gas-betriebene Spurkammern Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  4. Ionen/Elektronen in FeldernDrift und Diffusion Zwei Effekte: -- Diffusion der Ladungswolke Immer da durch Abstossung der Ladungen und ihre thermische Bewegung. Maxwell, ve=106cm/s, vion=104cm/s Diffusionskoeffizient ( freie Weglänge) -- Drift der Ladungen im elektrischen Feld.Drift-Geschwindigkeit: Ionen niedrig, e- hoch Beweglichkeit(u=Geschwindigkeit): Einstein: Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  5. Mechanismen d. LadungserzeugungIonisation und Anregung Anregung eines Atoms: X+p  X*+p Resonanzprozess  ~ 1017 cm-2 Ionisation: X+p  X++p+e- keine Resonanz  ~ 1016 cm-2 primäre  sekundäre Elektronen (-Rays) Anzahl von Elektron-Ion-Paaren: 1 Paar pro 30 eV einfallender Energie (Argon: Anregung: 11.6 eV, Ionisation 15.8 eV Paar-Erzeugung 26 eV). Auflösung f. ein Teilchen: R=E/E=2.35 N/N=2.35(Fw/E) w: Energie f. ein Elektron-Ion-Paar F: Fano-Faktor E: deponierte Energie E: Fehler auf E (FWHM) N: Anzahl der Ionisationsprozesse. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  6. Ladungserzeugungals Funktion des elektrischen Feldes Ionisationskammer: Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt. Proportionalkammer: Primäre Elektronen werden beschleunigt und können andere Atome ionisieren (Ionisations-Lawinen). Ionisationsvermögen hängt von kinetischer Energie und damit der Feldstärke ab. Geigerzähler: Die erzeugte Raumladung deformiert das Feld, so dass die Proportionalität verloren geht. Noch später: Kette von Lawinen  Amplitude immer gleich hoch, unabhängig von Anfangsenergie Zusammenbruch: Konstante Entladung  Zerstörung des Detektors. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  7. Lawinen-MultiplikationBeachte: Elektronen sind sehr mobil! Lawine entsteht in der Nähe des Drahtes – nur da ist Feld stark genug! Schnelle Sammlung der Elektronen (~1 ns) Signal auf Elektroden durch Ionen-Drift Elektronen sind mobiler als Ionen; ihre Mobilität µ hängt vom Feld ab. Townsend-Koeffizient: Wahrscheinlichkeit für Ionisation auf Einheits-Wegstrecke ( freie Weglänge) Elektronen auf Strecke dx erzeugt Erzeugte Elektronen auf Strecke x: n(x) = n0 exp(ax) Multiplikator für Lawine (Gain): Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  8. Lawine V  250 V IonisationskammerÜbersicht Die gesamte primär erzeugte Ionisation wird gesammelt. Gutes “toy model” für einige theoretische Überlegungen. Woher kommt das Signal? Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  9. PulsbildungDurch Drift der Ladungsträger Feld und Potential eines Drahtes: Potentielle Energie einer Ladung,Änderung bei Verschiebung Energie des Feldes Energieerhaltung Also Änderung des Spannung! Beitrag der Ionen viel grösser! Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  10. DriftkammernÜbersicht Homogenes Feld  Driftgeschwindigkeit konstant! Felddrähte Elektroden zur Abschirmung Anode Wenig Hardware-Aufwand, aber sorgfältige Wahl desGases und gutes Design des Feldes nötig (Homogenität!) Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  11. VieldrahtproportionalkammerMultiwire proportional chamber (MWPC), Charpak 1968 Viele Anodendrähte nebeneinander (ohne Abschirmung!) wirken wieviele kleine Proportionalkammern! Jeder Draht kann (dank Transistortechnik) seinen eigenen Verstärker haben. Potentialdifferenz: n*100 V Lawinenbildung erst nahe an Anode, vorher nur Drift! Signal auf mehreren Drähten! Abstand Anode zu Anode: mm Abstand Anode zu Kathode: mm Feld fast überall homogen! Zeitauflösung: 25-30 ns Ortsauflösung 0.5*Anodenabstand.Kathodenstreifen: 100 µm Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  12. Zylindrische DriftkammernDer Standard in HEP Viele Driftkammern Proportionalkammern Time Projection Chamber Jet-Kammer Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  13. Zylindrische DriftkammernDer Standard in HEP Tasso-Driftkammer Jade-Jet-Kammer: Mehr Bildpunktepro radialer Spur. Transversales Feld Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  14. ZeitprojektionskammerTime Projection Chamber (TPC) Kombiniere grosse Driftstreckenmit Drahtkammern / Pads zur Auslese an den Enden  Infoüber r und -Position (180 µm). Ankunftszeit gibt z-Information(Auflösung ca. 200 µm – gut!) E- und B-Feld parallel  keinProblem mit Lorentz-Winkel. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  15. ZeitprojektionskammerPrinzip der Ortsauflösung Bla Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  16. ZeitprojektionskammerAm Beispiel von Aleph Bla Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  17. ZeitprojektionskammerPrinzip der Auslese Bla Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  18. ZeitprojektionskammerBilder von Aleph Bla Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  19. ZeitprojektionskammerDas erste Aleph-Event-Display Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  20. Zeitprojektionskammer… und das letzte Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  21. ZeitprojektionskammerAuflösungen bei Aleph Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  22. ZeitprojektionskammerTeilchen-Identifikation mit der TPC Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  23. Microstrip Gas ChambersDie MWPC in mini – schnell und präzise Driftfeld Verstärker-Folie Anoden Anoden Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  24. Microstrip Gas ChambersMSGC Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  25. 2. Myon-Kammern Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  26. Pseudo-Rapidität… Vorwärts und Zentral / Barrel  =2.4 =1.3 =0.9 =0 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  27. Myonkammern: MotivationppHZZ*4 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  28. Myonkammern: Motivationppbbtag+B0 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  29. Myonkammern: MotivationppZ zur Kalibration! Schwere Bosonen/Leptonen Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  30. MyonkammernGesamtansicht aller Systeme Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  31. MyonkammernGesamtansicht aller Systeme im Barrel Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  32. Spurkammern Kalorimeter Solenoid Magnet-Joch Myon-Stationen MyonkammernVier Myon-Stationen im Barrel Eine Station enthält drei ver-setzte Lagen (Superlayer) von je vier Lagen Drift-Röhren(gutes BC-Tagging ~ns!). Zwei Superlayer für r-Messung, einer für z. Stationen 1 und 2: Je zwei RPC (innen, aussen)Stationen 3 und 4: Eine RPC innen. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  33. MyonkammernDriftkammern im Barrel • niedrige Rate, geringe Teilchenanzahl im Barrel  langsame Driftkammern sind okay. • Röhren (Wand 2mm) schützen Detektor bei Drahtbruch! Auch Entkopplung benachbarter Kanäle. • In Kombination hervorragende Zeit- und Ortsauflösung. • ca. 200000 Kanäle Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  34. MyonkammernBedeutung des Magnetfelds • x ist Ortsauflösung eines Messpunkts • Starkes B-Feld macht bessere Auflösung (stärkere Krümmung der Spur) • Wichtig: Durchlaufener Radius L: Hebelarm  Myon-Kammern sind ganz aussen. Ortsauflösung der Myon-Kammernist wichtig für Impulsmessung, und die ist wichtig für Rekonstruktion derinvariante Masse z.B. des Higgs. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  35. Myonkammern – TriggerResistive Plate Chambers: Arbeitsweise • Schnelle Response  BC-ID! • Billiger und einfacher Readout • hohe Segmentierung möglich  gute Myon-pT-Auflösung. Zuerst im Streamer-Mode betrieben: sehr kurzer hoher HV-Puls  Entladungskanäle mit hoher Zeitauflösung! Aber: langsame Erholung! Jetzt: Oberer Rand Proportionalitätsbereich  Ratenverträglich! Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  36. -HV -HV -HV -HV RPC: Layout6 Kammern im Barrel Bakelit Readout der Streifen(Signal wird induziert) Feld Das Feld wird erzeugt durch Aluminium-Folien auf der Rückseite der äußeren Bakelit-Schicht. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  37. MyonkammernBarrel-Station mit DTs und RPCs. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  38. Draht MyonkammernCathode Strip Chambers in den Endkappen • 2D-Readout in einer Kammer • Kleiner Drahtabstand  schnell (gut in Vorwärtsrichtung) • hohe Präzision der Ortsmessung mit Streifen: Interpolation. • Fächerförmige Streifen erlauben einfache -Messung Myon Drähte Kathoden Streifen Induzierte Ladung Lawine Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  39. MyonkammernImpuls-Auflösung Kombination mit Inner Tracker wesentlich! Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  40. MyonkammernppZ zur Kalibration! Z: Nur µ-Kammern Z: µ-Kammern+Tracker Auflösung wenige GeV. Z’: 150 GeV Z’: 300 GeV Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  41. MyonkammernEffizienz der Driftkammern und des Triggers Wichtig: Wieviele Myonen erwische ich mit dem Trigger? Wieviele Myonen kann ich in den Kammern identifizieren? Wert, bei dem ca. 85% Effizienz erreicht ist. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  42. MyonkammernRaten Fast unmöglich <10 GeV zu trigger! Aber unter 20 GeV fast nur “minimumbias”-Ereignisse. Erst dann Myonen aus -- W-Zerfall -- Drell-Yan-Prozessen (qqW/Zµµ) -- Z-Zerfall -- top-Zerfall -- etc. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  43. 3. Trigger Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  44. Trigger = Zentrale Instanz des Experiments, die online über Selektion oder Verwerfung jedes einzelnen Events entscheidet. Realisierung entweder durch schnelle Elektronik oder durch Software-Algo- rithmen. Hauptproblem: Wie kriege ich schnell genug genügend Informationen zusammen, um auf konsistenter Grundlage entscheiden zu können? Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  45. Wirkungsquerschnitte … warum eigentlich ein Trigger? Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  46. PHYSICS AT THE LHC Comparison of SM and ‘new physics’ processes Small cross-sections for‘new physics’processes … and small branching ratios (e.g. H).SM processes dominate. At high luminosity~23 events overlaid … for 2•1033cm-2s-1 usually only one event Understandingof SM processesimportant • Backgrounds for ‘discovery physics’: Wbb, ttbb, W/Z pairs…• Calibration, energy scale: Ze+e-,+-, J/e+e-,+-, Wjj… Necessity of efficient trigger! Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  47. PHYSICS AT THE LHC Importance of high pT signatures Muons just as illustration - same is true for electrons, photons, jets. Interesting (non-minimum-bias) physics sets in only at relatively high pT. New particles are expected to be heavy (Higgs, sparticles all above 100 GeV)  decay products will have relatively high transverse momentum. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  48. ATLAS TRIGGER MENU COVERAGE Triggering mostly with inclusive / di-leptons. • Gauge boson pair production for study of anomalous couplings and behaviour of production at high energies • single and pair top production• direct Higgs production with HZZ*/WW*; associated SM Higgs production with WH, ZH, ttH• MSSM Higgs decays• Production of new gauge bosons with decays to leptons. • SUSY and leptoquark searches Inclusive anddi-lepton B physics • specialised, more exclusive menus H • 2EM15I at L1, 220i at L2. Also MSSM. SUSY,leptoquarks • High pT jets with/without ETmiss. Resonances,compositeness • High pT jets. Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  49. THE ATLAS EXPERIMENT - Length ~40 m- Diameter ~25 m- Weight ~7000 t- 108 channels (event ~2MB) - ‘Inner (tracking) Detector’- calorimeters (energies)- muon detectors - Barrel: solenoid around ID and toroid fields in muon system- Endcaps: toroid fields Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

  50. THE ‘INNER DETECTOR’ Pixel Detector: - 3 barrel layers - 2•4 end-discs- 140•106 channels- R=12m,z,R=~70m- || <2.5 Transition Radiation Tracker - 0.42•106 channels- =170m per straw- || <2.5 Silicon Tracker: - 4 barrel layers, || <1.4- 2•9 end-discs, 1.4 <  < 2.5- Area 60 m2- 6.2•106 channels- R=16m, z,R=580m Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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