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LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
Kalorimeter
Antonia Strübig
18.01.2010
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
Übersicht
Einleitung
Wechselwirkung mit Materie
Kalorimeter
ATLAS
CMS
1
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
Einleitung
Kalorimetrie : latein. calor = Wärme
Energiemessung durch totale Absorption
• LHC Strahlenergie : 108 J
• 108 J bringen 239 kg Wasser zum Kochen
• Partikel mit 1 GeV in 1l Wasser: ΔT= 3,8 . 10-34K
Teilchendetektoren benötigen präzisere Methoden zu Energiebestimmung!
Einleitung 2
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
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
3
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
Bethe-Bloch-Formel:
Wechselwirkung mit Materie
Geladene Teilchen• Ionisation → Herausschlagen eines Elektrons aus dem Atomverband
• Anregung → Anheben eines Elektrons auf ein höheres Energieniveau
2
2ln
1
A
ZN4 2
222
2222
AIon
I
cmzcmr
dx
dE eee
z = Ladung einfallendes TeilchenZ, A = Kernladungs- , Massenzahl Absorberme = Elektronenzahlre = ElektronenradiusI = Ionisationskonstante Absorber
β,γ = Geschwindigkeit und Lorentzfaktor einfallendes Teilchenδ = Parameter „Dichteeffekt“
Wechselwirkung mit Materie 3
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18.01.2010
Wechselwirkung mit Materie 4
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
Bremsstrahlung
• Wechselwirkung mit dem Coulombfeld der Kerne Verringerung der kin. Energie des Teilchens → Abstrahlung von Photonen
• Bedeutung für leichte, schnelle Teilchen
EmA
Zz
dx
dE
0
22
Brems
1
0Brems X
E
dx
dE
stark für Elektronen
X0 = Strahlungslänge
Charakteristisch für Absorber
ZrZN
AX
eA183ln4 220
Wechselwirkung mit Materie 5
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
kritische Energie Ec : Energie bei der Ionisations- und Bremsstrahlungsverlust für Elektronen gleich sind
0BremsIon X
EE
dx
dEE
dx
dE ccc
Coulomb-Streuung
• Streuung am Coulomb-Potential der Kerne und Elektronen → Abweichung von geradliniger Ausbreitung
0
2 6,13
X
x
pc
x = durchquerte Materiedicke in Einheiten von X0
p, β = Impuls und Geschwindigkeit des Teilchens
Wechselwirkung mit Materie 6
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Energieverlust für Elektronen
Wechselwirkung mit Materie 7
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
Photonen
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
um detektiert zu werden muss das Photon geladene Teilchen erzeugenoder Energie auf sie übertragen
xII e0 i
iA
A
N
27
5Photo
E
Z
E
EZ
lnCompton
EZ ln2Paar
Abschwächung mit
Wechselwirkung mit Materie 8
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Energieverlust für Photonen
Wechselwirkung mit Materie 9
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18.01.2010
Hadronen
Neben el.magn. auch starke Wechselwirkungelastischeund inelastische Prozesse → Erzeugung weiterer Teilchen der starken WW
Inelastische Prozesse:
hinelastiscelastischtotal
axNN e0
inelast
Aa N
Aλa = mittlere Absorptionslänge >> X0
λw → σtotal = Kernwechselwirkungslänge
10
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Kalorimeter
ttN 2
t
EtE
20
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
2ln
lnln 0max
cEEt
Kalorimetergrösse nimmt nur logarithmisch mit E0 zu!
Kalorimeter 11
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longitudinale und transversale Schauerentwicklung
L(98%) = 2,5 tmax
Molière-Radius
20 /
21cmgX
E
MeVR
cM
R(95%) = 2 RM
Kalorimeter 12
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Gesamtlänge Schauer
Energieauflösung
00 XE
ET
c
cE
b
E
a
EE
stochastisch „noise“• elektronisches Rauschen• Radioaktivität•„pile up“
konstant• Kalibrierungsfehler• Inhomogenität• Nichtlinearität
Qualität des Detektors
Kalorimeter 13
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hadronische Schauer
• bei Kernwechselwirkung übertragene pT → grössere transversale Ausdehnung• λa > X0 → „ longitudinale „
grössere Kalorimeter
Verschiedenste Prozesse tragen zur Bildung eines Hadron-Schauers beiSchauer enthält 2 Komponenten
elektromagnetisch+hadronisch
• 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
Kalorimeter 14
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18.01.2010
Kompensation
Hadronen generieren el.magn. und hadronische Schauer bei gleicher Energie Hadron-Signal kleiner als Elektron-Signal
Effizienzrate beide Anteile zu detektieren: h
e normalerweise e/h >1
Kompensation bedeutet beim Detektordesign eine Rate von e/h=1 zu erzielen.
Hadron-Signal wird nicht-linear:
Kalorimeter 15
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
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
U/LAr
Fe/Scint
Cu, U/Scint
Kalorimeter 16
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18.01.2010
Homogene Kalorimeter
nur für el.magn. Kalorimeter, da die Absorptionslänge der möglichenMaterialien zu klein → Kostenfaktor
Das Absorbermaterial ist gleichzeitig der Detektor.
Vorteile: Nachteile:
gute Energieauflösung begrenzte örtliche Auflösung
hauptsächlich verwendet: Szintillatoren
Beispiele:
• PWO Kalorimeter bei CMS und ALICE
• CsI bei BaBar
Kalorimeter 17
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18.01.2010
Typische Szintillationskristalle
Kristall NaI CsI BGO PWO
Dichte (g/cm3) 3,67 4,51 7,13 8,3
X0 (cm) 2,59 1,86 1,12 0,89
λa (cm) 42,9 39,3 22,8 20,7
RM (cm) 4,13 3,57 2,23 2,00
Abklingzeit (ns) 230 1250 300 30 – 10
Lichtausbeute (%)
100 165 21 0,29 - 0,083
Kalorimeter 18
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18.01.2010
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
Kalorimeter 19
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18.01.2010
Sampling Fluktuationen
entscheidender Faktor für Energieauflösung
Energiemessung jeweils nur mit Abstand d
Auflösung wird mit besser0E
d
Landau-Fluktuationen
zusätzliche „knock-off“-Elektronen durch Ionisation
Leckverluste
Ausmasse Kalorimeter ungenügend → Teilchen verlassen Kal. undetektiert
Rauschen
Kalorimeter 20
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18.01.2010
Teilchenidentifikation
Trennung e- und Hadronen
• Energieschwerpunkt
• Schauerbreite
e- und Myon
• Energiedeposition
π0 und Photon
• Unterscheidung ein oder zwei Schauer
0
Kalorimeter 21
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18.01.2010
Kalorimetergrössen
Pseudorapidität
2tanln
Körnung„Granularity“
:
22
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18.01.2010
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
ATLAS 23
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
ECal
HCal
ECal: |η| < 1,4 HEC: |η| = 1,4 – 4,8
HCal: |η| < 1,6 EMEC: |η| < 3,2
ATLAS 24
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
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
ATLAS 25
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
• Elektroden aus Blei und Stahl Auslese über aufgeätzte Streifen
• LAr muss von hoher Reinheit sein mögliche Verunreinigung → Sauerstoff und Stickstoff
• Kühlung durch LN2 Wärmetauscher
ATLAS 26
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
Monitoring
Energieauflösung
• Einspeisung el. Puls direkt auf Elektrode
• Reinheits- und Temperatur- Monitoringsysteme
Kalibrierung
• über Z0 → e+e-
• Testbeam
• ECal : a = 8 – 11% b = 400 MeV c = 0,7%
• HEC : a = 60% c = 2%
cE
b
E
a
EE
ATLAS 27
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18.01.2010
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
28
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010
CMS – Cern Muon Solenoid
L = 21m
R = 15m
12500 t schwer
4 Tesla Magnetfeld
el.magn. Kalorimeter PbWO4-Kristalle
hadronisches Kalorimeter Kupfer + Plastikszintillator
CMS 29
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18.01.2010
Elektronenkalorimeter
• 22 x 22 mm2 PbWO4 Kristalle
• Auslese mit Avalanche-Dioden → Verstärkung
für Endkappen Verwendung von Vakuum-Phototrioden
Kristall PWO
Dichte (g/cm3) 8,3
X0 (cm) 0,89
λa (cm) 20,7
RM (cm) 2,00
Abklingzeit (ns) 30 – 10
Lichtausbeute (%)
0,29 - 0,083
Wellenlänge (nm) 440
• Körnung = 0,0175 x 0,0175
• Temperaturschwankung < 0,5°C
CMS 30
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CMS 31
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18.01.2010
Kalibrierung und MonitoringExistentiell für Kalorimeter!
hohe Strahlenbelastung → verringerte Lichtausbeute
ständige Überwachung mittels Lasersystem Injektion von Lichtpulsen zur Überprüfung der gesamten Signalkette
• 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%
CMS 32
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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
cE
b
E
a
EE
CMS 33
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18.01.2010
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%
LHC-Seminar Kalorimeter
18.01.2010