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Kalorimeter

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

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  1. Kalorimeter Antonia Strübig 18.01.2010 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  2. Übersicht • Einleitung • Wechselwirkung mit Materie • Kalorimeter • ATLAS • CMS LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. Wechselwirkung mit Materie 3 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  7. 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

  8. 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 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  9. Wechselwirkung mit Materie 6 Energieverlust für Elektronen LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  10. 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 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  11. Wechselwirkung mit Materie 8 Energieverlust für Photonen LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  12. 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

  13. 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

  14. Kalorimeter 11 longitudinale und transversale Schauerentwicklung Molière-Radius R(95%) = 2 RM L(98%)= 2,5tmax LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  15. Kalorimeter 12 Gesamtlänge Schauer Energieauflösung stochastisch • „noise“ • elektronisches • Rauschen • Radioaktivität • „pile up“ • konstant • Kalibrierungsfehler • Inhomogenität • Nichtlinearität • Qualität des Detektors LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  16. 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

  17. 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

  18. 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 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  19. 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

  20. Kalorimeter 17 Typische Szintillationskristalle LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. Kalorimeter 21 Kalorimetergrössen Pseudorapidität Körnung „Granularity“ LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. 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% LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  30. 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 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  31. 28 CMS – Cern Muon Solenoid • L = 21m • R = 15m • 12500 t schwer • 4 Tesla Magnetfeld • el.magn. Kalorimeter • PbWO4-Kristalle • hadronisches Kalorimeter • Kupfer + Plastikszintillator LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  32. 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 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  33. CMS 30 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  34. 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 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  35. 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 LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  36. 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% LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

  37. Danke für's Zuhören LHC-Seminar Kalorimeter 18.01.2010

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