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3. TESLA-Detektor Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen

3. TESLA-Detektor Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen. ZHH. Physikalische Fragestellungen. Ziel: Präzisionsuntersuchungen des Higgs-Sektors des SUSY-Teilchen-Spektrums von „alternativen“ Theorien

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3. TESLA-Detektor Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen

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  1. 3. TESLA-Detektor • Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  2. ZHH Physikalische Fragestellungen Ziel: Präzisionsuntersuchungen des Higgs-Sektors des SUSY-Teilchen-Spektrums von „alternativen“ Theorien des „bekannten“ Standardmodells (t,W) Weg: Selektion von seltenen Prozessen (s = 0.3 fb für ZHH = 1/10000 UG) Genaue Rekonstruktion von Leptonen, Photonen, Jets und Fehlender Energie • Beschleunigermit hoher Luminosität • Detektor für Präzisionsmessungen Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  3. Warum nicht LEP/SLC Detektoren kopieren ? Anforderungen durch Physik und Beschleuniger höher und verschieden zu denen am LHC Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  4. Anforderungen durch die Physik • Impuls: d(1/p) = 7 x 10-5/GeV(1/10xLEP,LHC)Bestimmung von MH e+e-gZHgllX • Stossparameter : dd=5Å10/p(GeV)mm(1/3xSLD)“flavour tagging“, z.B. Messung der Verzweigungsverhältnisse des Higgs-Bosons • Jetenergie: dE/E = 0.3/ÖE(GeV)(<1/2xLEP)DMDijet ~ GZ/W  z.B. Trennung vone+e-gnnWWgnnqqqq and e+e-gnnZZgnnqqqq LCLEP • Rekonstruktion von Multijetendzuständen: e.g. e+e-gH+H-tbtb  bqqb bqqb • hermetisch bis zu Winkeln von q = 5 mrad Signaturen mit fehlender Energie (z.B. SUSY) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  5. Anforderungen durch Beschleuniger • Zeitstruktur: 5 bunch trains/s Dtbunch=337ns • Ereignisraten: Luminosität: 3.4x1034 cm-2 s-1 (6000xLEP) • e+e-gqq,WW,tt,HX 0.1 / train e+e-ggggX:~200 /train • Untergrund durch Beamstrahlung:600 Treffer/BX im Vertexdetektor, 6 Spuren/BX in TPC Vertexdetektor und TPC „integrieren“ über 150 BX Auslesegeschwindigkeit / Granularität für stabile und effiziente Ereignisrekonstruktion • Strahlenhärte (fast) kein Problem im Vergleich mit LHC1. Lage des Vertexdetektors: n/cm2/yr 109 TESLA, 1014 LHC Strahlenbelastung durch Untergrund, kaum durch Physikereignisse Design durch Präzisionsphysik bestimmt, nicht durch Strahlenhärte und Ereignisrate Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  6. Beamstrahlung und Maske Beamstrahlung erzeugt 6x1010 Photonen/BX 140000 e+e-Paare/BX + Sekundärteilchen viele verschwinden entlang Strahlröhre (B=4 Tesla) L*=3m Abschirmung durch „Maske“ Dennoch: VTX1: 0.03 Treffer/mm2/BX TPC: 6 Spuren, 1400 g,1500n/BX Kalorimeter: 12GeV/BX „Vorwärts“-Kal.: 20TeV/BX Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  7. Detektorkonzept Spurdetektoren und beide Kalorimeter innerhalb der Spule Magnetfeld B = 4 Tesla Große gasgefüllte zentrale Spurkammer Präzisionsvertexdetektor Kein „Hardware-Trigger“, daher keine Totzeit kontinuierliche Datenauslese für einen „Bunch Train“ (1ms) Nullunterdrückung, Treffererkennung, Digitalisierung in FE-Elektronik Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  8. Impulsauflösung: Spurdetektoren Schlüsselprozess Unabhängig vom H Zerfall Rückstossmasse zu ll: aMH, sZH, gZZH, Spin Winkelverteilung der ll: a Spin, CP,... e+e-gZgZHgll X Präzise Messung der Lepton-Impulse Ziel: dMmm <0.1x GZad(1/p) = 7x10-5/GeV bUnterdrückung des Untergrundes gute Auflösung für c Rückstossmasse Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  9. Spurdetektorsystem im Überblick Zentralbereich: Pixelvertexdetektor (VTX) Silizium-Streifendetektor (SIT) Zeitprojektionskammer (TPC) Vorwärtsbereich:Räder in Silziumtechnologie (FTD) Vorwärtsspurkammer (FCH) (z.B. Strawtubes,Si-Streifen) E- u. B-Feld Anforderungen: Effiziente Spurerkennung/gute Auflösung bis zu kleinsten Winkeln Separate, robuste Spurfindung in TPC (240) und in VTX+SIT (7 Punkte) a erlaubt gegenseitige Kalibration, Alignment exzellente Impulsauflösungd(1/p) < 7 x 10-5 /GeV Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  10. Gasgefüllter oder Silizium Spurdetektor? gasgefüllt Silizium Menschliches Auge bevorzugt „links“ für Spurerkennung Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  11. Motivation für eine TPC • Große Anzahl ~0(100) von dreidimensionalen Spurpunkteneffiziente Spurrekonstruktion • Minimales totes Material geringer Einfluß auf Kalorimetrie geringe Vielfachstreuung wenig Photonkonversionen • dE/dx Teilchenidenzifizierung • Spuren bis zu großem R Rekonstruktion von V0,„KinkTracks“ ~ ~ Neue schwere stabile Teilchen GMSB SUSY: mgm + G Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  12. Impulsmessung mit der TPC • kleine Punktauflösung spunkt • hohes Magnetfeld B • großer Hebelarm L=Ra-Ri • viele Spurpunkte N • Materialen mit grosser Strahlungslänge X0 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  13. Design der TPC E- u. B-Feld 0.7x Driftzeit 50 ms = 160 BX a 80000 Treffer in TPC (Physik+UG) 8x108 readout cells (1.2MPads+20MHz) a0.1% getroffen Kein Problem für Spurerkennung und -rekonstruktion Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  14. Technologien für Gasverstärkung • Bisherige TPCs mit Drahtkammer: • breites Induktionssignal auf Pads • Auflösung limitiert durch: ExB Effekte, Winkel zw. Spur u. Drahtebene • starker Ionenrückfluss ohne „Gating“ • „dicke“ Endplatte wegen Drahtspannung • Alternativen: Gas Electron Multiplier u. MicroMEGAS • Elektronsignal auf Pads , 2 dim. Symmetrie, kleiner Abstand zw. Löchern (kaum ExB) aintrinsisch bessere Auflösung • Unterdrückung des Ionenrückflusses • keine Drahtspannung adünnere Endkappen Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  15. GEMS und MICROMEGAS Lawine in GEM-Folie Kaskadierung möglich Lawine zwischen Gitter und Pads Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 % Ziel für Ortspunktauflösung: 100 mm Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  16. Auslese via Drahtkammer: • induziertes positives Signal • Ladung auf mehreren Pads •  verbesserte Punktauflösung Auslese via GEM: • induzierte Ladung zu klein • Elektronsignal auf den Pads • oft keine Ladungsteilung GEM Auslese und Punktauflösung Verbesserte Punktauflösung durch z.B. “Chevron”-Pads Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  17. Intermediäre Spurdetektoren SIT:2 Lagen Si-Stripssrf= 10mm • Spurmatching von TPC to VTX Vergrösserung um 4 % • Verbesserte Impulsauflösung: TPC+VTX: s(1/p) = 0.7 x 10-4 GeV-1 • V0-Reco. Eff. 73 86% +SIT : s(1/p) = 0.5 x 10-4 GeV-1 • “Vorwärtsdetektoren”(e.g. e+e-WW qqln) • Verbesserte Impulsauflösung bei kleinen Winkeln 250 GeV m FTD:7 Disks 3 Lagen aus Si-Pixeln 50x300mm2 4 Lagen aus Si-Streifen srf= 90mm FCH:4 Lagen Strawtubes oder Siliziumstreifen Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  18. Spurdetektoren: Rekonstruktiongüte Effizienz der Spurrekonstruktion: e=98.4% (inklusive Untergrund) Nur TPC Z-Masse Rückstossmasse TPC+ VTX + SIT Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  19. Rekonstruktionsgüte  Physik Messgenaugkeit der Rückstossmasse (1.3 GeV)nicht durch Detektor sondern durch Beamstrahlung dominiert dMH = 80 MeV ds/s=0.03 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  20. Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor Ziel: exzellente Identifikation von Quark Flavour z.B: für Test von gffH~mf via Messung der Verzweigungsverhältnisse Hgbb,cc,gg mit Fehler O(%) Mittel:Rekonstruktion von Sekundärvertices Diskriminierende Grössen Zerfallslängensignifikanz l/sl , Vertexmasse M, Vertexladung Q, ….  Alle Spuren im Zerfall finden M Sekundärvertex l/sl IP Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  21. do . Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor Präzise Messung des Stossparametersdo IP b: 300 mm „harmlos“ c,t: 75 mm „herausfordernd“ <p> = 1 bis 2 GeV sd=aÅb/p Ziel:5mm 10mm Kleines sd:erster Spurpunkt nahe am IP  kleines R1 gute Punktauflösung  kleine Sensorzellenwenig Vielfachstreung,Konversionen  dünne Sensoren Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  22. Vertexdetektor: Konzept • Pixeldetektor mit 5 Lagen (15 bis 60 mm) • Radius der innersten Lage: 15 mm(1/2 SLD, 1/4 LEP) • Pixelgrösse: 20x20mm2,  sPunkt < 3 mm • Sensordicke: 0.1 % X0 pro Lage(1/4 SLD) • 800 Millionen Auslesekanäle(300 Mpixel @SLD) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  23. Vertexdetektor: Untergrund e+e- Paare: • Grosses B-Feld wichtig • Erste Lage am kritischsten 0.03 Treffer/mm2/BX • 100 krad in 5 Jahren Auslese an beiden Leiterenden in Lage1 Taktfrequenz 50 MHz, 2500 Pixelreihen akomplette Auslesezeit: 50ms ~ 150BX <1% aller Pixel mit Treffer  kein Problem für Spurerkennung erwartet Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  24. Vertexdetektor: Technologieoptionen Etablierte Technologieoption: CCDs Exzellente Erfahrung von SLD (300 Millionen Kanäle) F&E: Effizienz und Stabilität des Ladungstransports Auslesegeschwindigkeit, dünne Sensoren, mechanische Stabilität, Strahlenhärte Auslese „Neue“ Technologien: MAPS (Monolithtic Activ Pixel Sensors) und DEPFET(Depleted Field Effect Transistor) Steuerung jeder Pixel selektiv ansteuerbar nur jeweils eine Zeile aktiv a geringerer Leistungsverbrauch erste Signalverarbeitung im Pixel a geringeres Rauschen Auslese Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  25. Vertexdetektor: Technologieoptionen Monolithtic Activ Pixel Sensors Standard CMOS-Technologie Ladung aus „Epitaxial Layer“ diffundiert thermisch zum „N well“ Depleted Field Effect Transistor Ladung wird in der Potentialmulde (internes „Gate“) gesammelt aModulierung des Transistorstroms - - - + - + - + + - Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  26. M e.g. vertex mass l/sl Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte Erwartete Auflösung in r,f und r,z s= 4.2 Å4.0/p(GeV)mm c-Quark-ID: Faktor 2 bis 3 besser als SLD 1.Lage bei 1.5 cm wichtig !! (c-Tag: Effizienz um 10% kleiner ohne Lage 1) • LEP-c Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  27. Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte Messung von Hgxx Mit Genauigkeit von 2.4 % für bb 8.3 % für cc 5.5 % für gg Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  28. Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte Messung der Higgs Kopplungen an b und c Quarks: Detektordesign hat direkte Auswirkung auf Physikergebnisse ! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  29. Anforderungen an die Kalorimetrie • Primäres Ziel: Exzellente Auflösung für Jet-Energien dE/E = 0.3/ÖE (GeV) (1/2 LEP) viel der LC Physik wird durch die Rekonstruction der invarianten Massen von Jets in hadronischen Endzuständen bestimmt • Genaue Rekonstruktion von Photonen (Energie und Winkel) • Hermetisch bis zu kleinen Polarwinkeln Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  30. Warum dE/E = 0.3/ÖE (GeV) ? Falls kein Higgs-Boson: Enträtselung der elektro-schwachen Symmetriebrechung mittels Messung von ? e+e-gnnWW(ZZ)gnnqqqq LEP TESLA Bestimmung der beiden Dijetmassen: Unterscheidung WW und ZZ dE/E = 0.3/ÖE dE/E=0.6/ÖE Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  31. Rekonstruktion von Quarkimpulsen Ziel: Rekonstruktion der 4er-Impulse der Quarks Im Detektor: Spuren und Energiedepositionen Energie/Teilchenfluss-Algorithmus ZHHgqqbbbb • Kinematische Fits oft nicht anwendbar: Beamstr., ISR, n, LSP • Intrinsische Energieauflösung ist von grosser Bedeutung  Design optimiert für Energie/Teilchenfluss-Algorithmen Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  32. Energie im Jet: 60 % geladene Teilchen:30 % g:10 %KL,n Energiefluss-Algorithmus Idee: identifiziere die einzelnen Teilchen, rekonstruiere ihre 4er-Impulse und finde die Jets=Quarks • Messung von • Geladene Teilchen in Spurkammer • Photonen im el.-mag. Kalorimeter • Rest (n,K0) im hadron. Kalorimeter Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  33. Energiefluss-Algorithmus Unter der Annahme: Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  34. KL,n p g Energiefluss-Algorithmus Ohne die vernachlässigbaren Fehler auf die Spurimpulse: Ideale Rekonstruktion „Konfusion“ dominiert HCAL = Schauerüberlapp, Doppelzählung von p und E für geladene Teilchen, Missidentfikation,… ECAL e Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  35. Reduzierung der “Konfusion” • Trennung der Energiedepositionen • grosser innerer Radius des ECAL und starkes Magnetfeld Separation der TeilchenDx~BL2/(RM Å D) 1/p • kleine Strahlungslänge X0 und MoliereradiusRMoliere kompakte Schauer, geringer Schauerüberlapp • hohe laterale Granularität D ~ O(RMoliere)  Trennung der Schauer • Unterscheidung zwischen elektromagnetischen und hadronischen Schauern • kleines X0/lhad • longitudinale Segmentierung Granularität wichtiger als Energieauflösung ! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  36. Absorbermaterial: Eisen  Wolfram Eisen Wolfram X0/lhad = 1/27 RMoliere = 0.9 cm X0/lhad = 1/10 RMoliere = 2.1 cm Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  37. Kalorimeter : (ein) Konzept • ECAL: Silizum-Wolfram- Sampling- Kalorimeter • Transversale Segmentatierung:1x1cm2 angepasst an Molierradius • Longitudinale Segmentierung: 40 Lagen(24X0,0.9lhad) • dE/E = 0.11/ÖE(GeV) Å0.01 HCAL 32 cm HCAL: Stahl + digitale Auslese via RPCs,GEMS,… • Transversale Segmentierung: 1x1 cm2 • Longitudinal Segmentierung: 9-12 • 4.5 – 6.2 lhad (begrenzt durch Spule) • dE/E =0.35/ÖE(GeV) Å0.03 ECAL Mit diesem Design: dE/E = 0.3/ÖE (GeV) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  38. Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte Messung der Higgsselbstkopplung l inZHH gqqbbbb TESLA LEP-Detektor UG Signal Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  39. Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte Simulation eines 50 GeV im SiW-Kalorimeter • Photonen separierbar • Richtung der Photonen • bestimmbar wegen • transversaler und • longitudinaler • Segmentierung Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  40. Rekonstruktion von Photonen dq = 68mrad/ÖE(GeV) Å8mradohne Vertexeinschränkung Wichtig für z.B. NeutralinogGravitino+Photon (GMSB-SUSY) Photonstossparameter Ddg~1cm OPAL TESLA Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  41. „Vorwärts“-Kalorimeter L* = 3 m Aufgabe: Abschirmung des Untergrundes hermetisch / Veto LAT: Luminositätsmessung mit Bhabhas (83 to 27 mrad) SiW Sampling Calorimeter Ziel: DL/L ~ 10-4 benötigt Dq = 1.4 mrad LCAL: „Beam diagnostics“ und schnelle Lumi.-Messung (28 to 5 mrad) ~104 e+e— Paare/BX 20 TeV/BX 2MGy/yr  Strahlenharte Technologie: SiW, Diamond/W Kalorimeter oder Szintillatorkristalle Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  42. Zusammenfassung: Detektor Detektordesign wird durch Präzisionsphysik, nicht durch Ereignisrate oder Strahlenhärte bestimmt Die Anforderungen übertreffen die von LEP/SLD bis Faktor 10 und sind verschieden zu denen am LHC F&E: großer Profit von Erfahrung für/von LHC, TEVATRON, RHIC, B-Fabriken, HERA,…. Design (fast) unabhängig von Beschleunigertechnologie: supraleitend (TESLA) u. normalleitend (NLC,JLC)aweltweite, gemeinsame F&E-Aktivitäten Design und Rekonstruktionsgüte herrausfordernd F&E braucht Zeit a Schon heute beginnen ! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

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