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Kalorimeter. Antonia Strübig 18.01.2010. LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010. Übersicht. Einleitung Wechselwirkung mit Materie Kalorimeter ATLAS CMS.

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kalorimeter

Kalorimeter

Antonia Strübig

18.01.2010

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

bersicht
Übersicht
  • Einleitung
  • Wechselwirkung mit Materie
  • Kalorimeter
  • ATLAS
  • CMS

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

einleitung

1

Einleitung

Kalorimetrie : latein. calor = Wärme

Energiemessung durch totale Absorption

  • LHC Strahlenergie : 108 J
  • 108J bringen 239 kg Wasser zum Kochen
  • Partikel mit 1 GeV in 1l Wasser: ΔT= 3,8 . 10-34K

Teilchendetektoren benötigen präzisere Methoden zu Energiebestimmung!

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

slide4

Einleitung 2

  • Grundlegende Mechanismen der Kalorimetrie:
  • elektromagnetische
  • und hadronische Schauer
  • Die Energie wird durch Ionisation und Anregung von Materie konvertiert.
  • Kalorimeter besteht aus Absorber und Detektor.
  • Signal ∞ E
  • Kalorimetrie ist ein destruktive Methode. Energie und Teilchen werden absorbiert.
  • Kalorimetrie kann angewendet werden für:
  • geladene Teilchen (e±, Hadronen)
  • neutrale Teilchen (γ, n)

zusätzliche Information zur

Impulsmessung

einzige direkte Möglichkeit, um

kinematische Informationen

über das Teilchen zu erhalten

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

wechselwirkung mit materie

3

Wechselwirkung mit Materie
  • Geladene Teilchen
  • Ionisation → Herausschlagen eines Elektrons aus dem Atomverband
  • Anregung → Anheben eines Elektrons auf ein höheres Energieniveau

Bethe-Bloch-Formel:

z = Ladung einfallendes Teilchen

Z, A = Kernladungs- , Massenzahl Absorber

me = Elektronenzahl

re = Elektronenradius

I = Ionisationskonstante Absorber

β,γ = Geschwindigkeit und

Lorentzfaktor einfallendes

Teilchen

δ = Parameter „Dichteeffekt“

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Wechselwirkung mit Materie 3

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Wechselwirkung mit Materie 4

Bremsstrahlung

  • Wechselwirkung mit dem Coulombfeld der Kerne
  • Verringerung der kin. Energie des Teilchens → Abstrahlung von Photonen
  • Bedeutung für leichte, schnelle Teilchen

stark für Elektronen

X0 = Strahlungslänge

Charakteristisch für Absorber

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Wechselwirkung mit Materie 5

kritische Energie Ec : Energie bei der Ionisations- und Bremsstrahlungsverlust

für Elektronen gleich sind

Coulomb-Streuung

  • Streuung am Coulomb-Potential der Kerne und Elektronen
  • → Abweichung von geradliniger Ausbreitung

x = durchquerte Materiedicke in Einheiten von X0

p, β = Impuls und Geschwindigkeit des Teilchens

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Wechselwirkung mit Materie 6

Energieverlust für Elektronen

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Wechselwirkung mit Materie 7

um detektiert zu werden muss das Photon geladene Teilchen erzeugen

oder Energie auf sie übertragen

Photonen

Abschwächung

mit

  • Photoeffekt (Eγ <100 keV)
  • Photon schlägt Elektron aus innerer Atomschale
  • Compton-Effekt (~1 MeV)
  • Streuung an quasifreien Elektronen
  • Paarbildung (Eγ>> 1 MeV)
  • Erzeugung von e± -Paar im Coulombfeld eines Kerns

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Wechselwirkung mit Materie 8

Energieverlust für Photonen

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

slide12

Wechselwirkung mit Materie 9

Hadronen

Neben el.magn. auch starke Wechselwirkung

elastische

und inelastische Prozesse → Erzeugung weiterer Teilchen der starken WW

Inelastische Prozesse:

λa = mittlere Absorptionslänge >> X0

λw → σtotal = Kernwechselwirkungslänge

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

kalorimeter13

10

Kalorimeter

Hochenergiephysik

hauptsächlich Verlust durch Bremsstrahlung (e-) und Paarerzeugung (γ)

elektromagnetische Schauer

  • Anzahl Schauerteilchen nach t = x/X0
  • mit mittlerer Energie
  • sobald E(t)<Ec→ nur noch Ionisation bzw. Photo-
  • und Compton-Effekt → Schauer stirbt aus
  • Schauermaximum bei

Kalorimetergrösse nimmt nur logarithmisch mit E0 zu!

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Kalorimeter 11

longitudinale und

transversale Schauerentwicklung

Molière-Radius

R(95%) = 2 RM

L(98%)= 2,5tmax

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Kalorimeter 12

Gesamtlänge Schauer

Energieauflösung

stochastisch

  • „noise“
  • elektronisches
  • Rauschen
  • Radioaktivität
  • „pile up“
  • konstant
  • Kalibrierungsfehler
  • Inhomogenität
  • Nichtlinearität
  • Qualität des Detektors

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Kalorimeter 13

hadronische Schauer

  • bei Kernwechselwirkung übertragene pT
  • → grössere transversale Ausdehnung
  • λa > X0 → „ longitudinale „

grössere Kalorimeter

Verschiedenste Prozesse tragen zur Bildung eines Hadron-Schauers bei

Schauer enthält 2 Komponenten

hadronisch

+

elektromagnetisch

  • geladene Hadronen p, π± , K±
  • Kernfragmente
  • Aufbrechen von Kernen (Bindungsenergie)
  • Neutronen, Neutrinos, Myonen
  • neutrale Pionen → 2γs
  • → el.magn. Kaskaden
  • Anzahl Pionen energieabhängig
  • und starken Schwankungen
  • unterworfen

unsichtbare Energie → starke Energiefluktuationen → schlechte Auflösung

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Kalorimeter 14

Kompensation

Hadronen generieren el.magn. und hadronische Schauer

bei gleicher Energie Hadron-Signal kleiner als Elektron-Signal

normalerweise e/h >1

Effizienzrate beide Anteile zu detektieren:

Hadron-Signal wird nicht-linear:

Kompensation bedeutet beim Detektordesign eine Rate von e/h=1 zu erzielen.

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Kalorimeter 15

Wie kann man Kompensation erreichen?

  • Benutzen von Uran-Absorber und wasserstoffreiche Detektoren (erhöht h)
  • → bei Wechselwirkung mit Uran entstehen Neutronen und energiereiche Photonen
  • → beides erhöht die „sichtbare“ Energie
  • Kombination aus Absorber mit hohem und Detektor mit niedrigem Z (verkleinert e)
  • → Unterdrückt Detektion von Niedrigenergie-Photonen (σPhoton ~ Z5)
  • „offline“ Kompensation
  • → Korrektur von jedem einzelnen Event durch Software
  • Heutzutage schwer zu realisieren,
  • da zu viele Events entstehen,
  • die detektiert werden müssen.
  • → Neutronen relativ langsam

Fe/LAr

Fe/Scint

Cu,U/Scint

U/LAr

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Kalorimeter 16

Homogene Kalorimeter

Das Absorbermaterial ist gleichzeitig der Detektor.

Nachteile:

Vorteile:

gute Energieauflösung

begrenzte örtliche Auflösung

nur für el.magn. Kalorimeter, da die Absorptionslänge der möglichen

Materialien zu klein → Kostenfaktor

hauptsächlich verwendet: Szintillatoren

  • Beispiele:
  • PWO Kalorimeter bei CMS und ALICE
  • CsI bei BaBar

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Kalorimeter 17

Typische Szintillationskristalle

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Kalorimeter 18

Sampling Kalorimeter

Schichten aus Absorbermaterial und Detektor

  • Absorber: Uran, Blei, Kupfer → Möglichkeit Hadronen vollständig zu absorbieren
  • Detektor:
  • Szintillatoren, Halbleiterzähler
  • Flüssige Edelgase (LAr, LKr)
  • Warme Flüssigkeiten (Tetramethylpentane)
  • Zählkammern

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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Kalorimeter 19

Sampling Fluktuationen

entscheidender Faktor für Energieauflösung

Energiemessung jeweils nur mit Abstand d

Auflösung wird mit besser

  • Landau-Fluktuationen

zusätzliche „knock-off“-Elektronen durch Ionisation

  • Leckverluste

Ausmasse Kalorimeter ungenügend → Teilchen verlassen Kal. undetektiert

  • Rauschen

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

slide23

Kalorimeter 20

Teilchenidentifikation

  • Trennung e- und Hadronen
    • Energieschwerpunkt
    • Schauerbreite
  • e- und Myon
    • Energiedeposition
  • π0 und Photon
    • Unterscheidung ein oder zwei Schauer

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

slide24

Kalorimeter 21

Kalorimetergrössen

Pseudorapidität

Körnung

„Granularity“

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

atlas a toroidal lhc apparatus

22

ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS
  • L= 45m
  • R = 22m
  • 7000 t schwer
  • 2 Tesla Magnetfeld
  • el.magn. Kalorimeter
  • Liquid Argon (LAr)
  • hadronisches Kalorimeter
  • Blei-Absorber + Plastikszintillator

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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ATLAS 23

HCal

ECal

ECal: |η| < 1,4

HEC: |η| = 1,4 – 4,8

EMEC: |η| < 3,2

HCal: |η| < 1,6

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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ATLAS 24

Liquid Argon Sampling Kalorimeter

Akkordeonförmige Elektroden

hohe Ortsauflösung

  • Körnung = 0,003 x 0,1 - 0,025 x 0,025
  • Temperatur = 89,3 K

LAr Funktionsprinzip Ionisationskammer

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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ATLAS 25

  • Elektroden aus Blei und Stahl
  • Auslese über aufgeätzte Streifen
  • LAr muss von hoher Reinheit sein
  • mögliche Verunreinigung → Sauerstoff und Stickstoff
  • Kühlung durch LN2 Wärmetauscher

LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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ATLAS 26

  • Kalibrierung
  • über Z0→ e+e-
  • Testbeam
  • Monitoring
  • Einspeisung el. Puls direkt auf Elektrode
  • Reinheits- und Temperatur- Monitoringsysteme
  • Energieauflösung
  • ECal : a = 8 – 11% b = 400 MeV c = 0,7%
  • HEC : a = 60% c = 2%

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ATLAS 27

Tile Calorimeter

  • Körnung Δη x ΔΦ = 0,1 x 0,1
  • Missing Energy mind. 9 λa
  • zwischen zentralem und äusserem Barrel
  • Intermediate Tile Calorimeter
  • vermindert Energieverluste
  • Energieauflösung: a = 50%
  • Kalibrierung
    • radioaktive Quellen
    • Laser-System → Signal auf Photomultiplier
  • Monitoring für Szintillator
  • Lichtausbeute nimmt ab

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cms cern muon solenoid

28

CMS – Cern Muon Solenoid
  • L = 21m
  • R = 15m
  • 12500 t schwer
  • 4 Tesla Magnetfeld
  • el.magn. Kalorimeter
  • PbWO4-Kristalle
  • hadronisches Kalorimeter
  • Kupfer + Plastikszintillator

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CMS 29

Elektronenkalorimeter

  • 22 x 22 mm2 PbWO4 Kristalle
  • Auslese mit Avalanche-Dioden
  • → Verstärkung
  • für Endkappen Verwendung
  • von Vakuum-Phototrioden
  • Körnung = 0,0175 x 0,0175
  • Temperaturschwankung < 0,5°C

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CMS 30

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CMS 31

Kalibrierung und Monitoring

Existentiell für Kalorimeter!

  • in-situ mit Z0-Zerfall
  • jeder Kristall wird im Teststrahl vorkalibriert
  • isolierte Elektronen mit hohem pT → lokale Kalibrierung
  • Vergleich zu p-Messung des Trackers
  • nach 2 Monaten Kalibrierungsfehler < 1%

hohe Strahlenbelastung → verringerte Lichtausbeute

ständige Überwachung mittels Lasersystem

Injektion von Lichtpulsen zur Überprüfung der

gesamten Signalkette

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CMS 32

Energieauflösung

  • Kristall allein: a = 0,45% (280GeV)
  • Kalorimeter: a = 2,7%
  • b = 155 – 210 MeV
  • c = 0,55%
  • Massenauflösung: ca. 1,7 GeV
  • besonders wichtig für den Higgs-Zerfall in 2 Photonen

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CMS 33

Hadronkalorimeter

  • 79 cm Kupferabsorber → 5,15 λa
  • 17 Szintillatorplatten
  • Auslese über WLS Fibern
  • Kalibrierung: eingebaute Minirohre,
  • durch die 137Cs geführt wird
  • Laser-Monitoring
  • Energieauflösung: a = 30 – 40%

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Danke

für's

Zuhören

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