Das Beam-Kalorimeter für den International Linear Collider

1. Das Beam-Kalorimeter für denInternational Linear Collider • Inhalt: • Der International Linear Collider • Der Vorwärtsbereich des LDC • Anforderungen • Das Strahlkalorimeter – BeamCal • Beamstrahlung • Schnelle Luminositätsmessung • Strahlparameter Rekonstruktion • Zusammenfassung Ch.Grah DPG-Frühjahrstagung 2006, Dortmund

2. Der International Linear Collider (500 GeV) ~30 km ML ~10km (G = 31.5MV/m) 20mrad RTML ~1.6km 2mrad BDS 5km e+ Undulator @ 150 GeV (~1.2km) x2 R = 955m E = 5 GeV nicht maßstabsgerecht Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

3. ILC Zeitplanung 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Global Design Effort Projekt Baseline configuration Reference Design Technical Design ILC R&D Program Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

4. Der Vorwärtsbereich des LDC • LDC: Large Detector ConceptNachfolger des TESLA Detektors. Eines von insgesamt 4 Detektorkonzepten 2mrad 20mrad Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

5. Vorwärtsbereich - Aufgaben neue 20mrad Geometrie (LDC) • LumiCal (26 (43)mrad < θ < 153 mrad) • Nachweis von em ww Teilchen mit niedrigem pT • Messung von Bhahba‘s mit hoher Präzision => • Messung der Luminosität mit • BeamCal (5.6 mrad < θ < 28 (46) mrad) • Nachweis von em ww Teilchen mit niedrigem pT • Messung und Analyse der Energiedepositionvon e+e—Paaren aus Beamstrahlung • LHCal • „Low angle hadron calorimeter“ • PhotoCal (nicht eingezeichnet) • Analyse von Beamstrahlung Photonenim Bereich von ~100μrad • Minimierung des Untergrundes im Inneren Detektor (z.B. TPC) durch Rückstreuung. 20mrad => Rückstreuung durch Paare, die das LumiCal treffen, alte Geometrie (K.Büsser) Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

6. Beamstrahlung e+ e- „Pinch-Effekt“ e+e-Paare aus Beamstrahlung treffen das BeamCal. Deponierte Energie von Paaren bei z = +365 (kein B-Feld) • 15000 e+e- pro BX => 10 – 20 TeV • ~ 10 MGy pro Jahr • “schnelle” Auslese => O(μs) • 30 X0 Sandwich Kalorimeter • Absorber: Wolfram • Sensoren: CVD Diamanten (T 604.3) • ca. 15000 Kanäle BeamCal: 4 < θ < 28 mrad Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

7. Magnetfeld Konfigurationen • Anpassung der Magnetfeldkonfiguration • bei großen Kreuzungswinkeln. • Detector Integrated Dipole: Parallel zum einlaufenden Strahl • AntiDID: Parallel zum auslaufenden Strahl 20mrad DID 20mrad DID 20mrad AntiDID Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

8. Schnelle Luminositätsmessung • Warum benötigen wir ein schnelles Signal von BeamCal? (Größenordnung von einigen Bunch Crossings je 300ns) • Wir können signifikant die Luminosität erhöhen! • z.B. Verwende die Anzahl der Paare, die das BeamCal treffen im Strahl-Rückkopplungssystem Erhöhung von L von mehr als 12% (500GeV)! Position und Winkel Scan Luminositätsentwicklung während der ersten 600 Packete eines Packetzuges. Ltotal = L(1-600) + L(550600)*(2820-600)/50 G.White QMUL/SLAC Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

9. Beamstrahlung Paar Analyse • Ziel: Gewinne durch Analyse der Energiedeposition der Paare im BeamCal Informationen über die Eigenschaften der primären Strahlkollision. • Observablen (Beispiele): • Totale Energie • Erstes radiales Moment • Thrust • Winkeldispersion • E(ring ≥ 4) / Etot • E / N • l/r, u/d, f/b Asymmetrien • Strahl Parameter • σx, σy, σz and Δσx, Δσy, Δσz • xoffset • yoffset • Δx offset • Δy offset • x-Taillenverschiebung • y-Taillenverschiebung • Packet Rotation • N Teilchen/Packet • (Banana shape) Detektor: realistische Segmentierung, ideale Auflösung, Packet-Packet Auflösung Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

10. Analyse Konzept • Strahlparameter • bestimme Kollision • erzeuge beamstrahlung • erzeuge e+e- Paare • guinea-pig • (D.Schulte) • Observablen • charakterisiere Energiedeposition im Detektor • FORTRAN • Analyseprogramm (A.Stahl) • und/oder • GEANT4 Taylor-Erw. 1. Ord. Taylor Matrix Observablen Observablen Δ Strahlpar = + * Lösbar durch Matrixinversion (Moore-Penrose Inversion) nom Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

11. Koeffizienten der Taylor-Matrix Parametrisierung (polynomial) Steigung beim nom. Wert  Taylor Koeffizient i,j Observable j [au] 1 Pkt = 1 bunchcrossing guinea-pig Strahlparameter i [au] Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

12. Analyse für nominale ILC Parameter ... ILCNOM, 20mrad DID Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

13. BeamCal Geant4 Simulation • Benötigen präzise Simulation für Schauer/realistisches Magnetfeld. Beinhaltet: • Flexible Geometrien (Kreuzungswinkel, Dicke der Lagen, variable Segmentierung) • vereinfachtes DiD/antiDiD Magnetfeld +realistisches Magnetfeld (Datei) • Eingabe – GP generierte e+e- Paare • Ausgabe – Root Tree mit Energiedepositionen in Segmenten • 1 BX ~ 400min @ 3.2 GHz CPU (A.Sapronov) Schauervisualisierung 20mrad AntiDID 20mrad DID Energie/Lage Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC

14. Zusammenfassung und Ausblick • Die Vorwärtsregion erfüllt wichtige Aufgaben am ILC. • BeamCal im besonderen: • Intratrain-Rückkopplung des BeamCal-Signals kann die totale Luminosität signifkant erhöhen. • Eine schnelle Diagnose der Energiedeposition zur Rekonstruktion von Strahlparametern ist möglich. • Analyse ist möglich für verschiedene Kreuzungswinkel/Magnetfeldkonfigurationen und ergibt eine interessante Präzision. • Eine detaillierte G4 Simulation ist in der Testphase und wird in der Strahlparameterrekonstruktion verwendet werden. • Untersuchung der Korrelationen, insbesondere zur Photonverteilung. • Minimierung der notwendigen Informationen vom BeamCal zur Vereinfachung der Auslese. Ch.Grah: Beam-Kalorimeter für ILC