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Vortrag LHC+ATLAS/CMS

Vortrag LHC+ATLAS/CMS. 20.07.2006 Im Rahmen der Vorlesung Detektoren in der Elementar-teilchenphysik Gordon Fischer und Michael Volkmann. Überblick. A: Motivation: Higgs Boson und SUSY B: Large Hadron Collider (LHC) C: Experiment 1: ATLAS D: Experiment 2: CMS. HIGGS-Teilchen.

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Vortrag LHC+ATLAS/CMS

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Presentation Transcript

  1. Vortrag LHC+ATLAS/CMS • 20.07.2006 • Im Rahmen der Vorlesung Detektoren in der Elementar-teilchenphysik • Gordon Fischer und Michael Volkmann

  2. Überblick • A: Motivation: Higgs Boson und SUSY • B: Large Hadron Collider (LHC) • C: Experiment 1: ATLAS • D: Experiment 2: CMS

  3. HIGGS-Teilchen Die Teilchen in den 3 Familien unterscheiden sich nur in ihrer Masse. Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten. Warum haben die Teilchen Masse? Antwort der Theoretiker: Higgs-Teilchen „gibt“ allen Teilchen Masse Wie kann man das verstehen???? Masse  Trägheit Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen, bevor er das Geld für den „Large Hadron Collider“ locker macht ……..

  4. Physikalische Prozesse zur Higgserzeugung • Vielzahl von Erzeugungsmöglichkeiten • Higgs koppelt an alle massiven Teilchen • Häufigkeit stark von Masse des Higgs abhängig (unbekannt) • Häufigster Prozess nicht der beste • Wichtig: Trennung von Untergrund muss möglich sein

  5. Zerfallskanäle des Higgsbosons in Abhängigkeit seiner Masse

  6. Goldene Kanäle zur Higgssuche • Ab 150 GeV entstehen geladene Leptonen • Daher: em. Kalorimeter und Myonsystem wichtig!

  7. photon quark electron photino selectron squark Super-Symmetrie Fermion Boson Boson Fermion Super-Symmetrie vereinigt Bosonen mitFermionen Kraft mitMaterie

  8. MX ~ 1014 GeV tp ~ 1031 a MX ~ 1016 GeV tp ~ 1038 a mPl Super-Symmetrie vereinigt Kräfte und … • ein Vereinigungs-Punkt • bei MX = 2·1016 GeV ! • Proton-Lebensdauer> exptl. Grenze • leichtestes SUSY-Teilchen • Dunkle Materie im Universum ! • beseitigt mathemat. Inkonsistenzen • in der Theorie

  9. 1.Der LHC Beschleuniger • 27 km langer Ringbeschleuniger am CERN (früher LEP) • Schwerpunktsenergie 14 TeV • Kosten: 2,9 Mrd € • 4 große Experimente: • ATLAS • CMS • LHCB • ALICE

  10. Der Large Hadron Collider (LHC) Ist ein 27 km langer Kollisionsring, der sich in einem 27 km langen Tunnel 100 m unter der Erde bei Genf (CERN) befindet.

  11. Hier ist er ….

  12. Einige Daten (am Kollisionspunkt)

  13. Schematischer Überblick • pp-Collider mit separaten Magnetfeldernund Vakuum kammern • beide Strahlen teilen sich ca. 130m langes Rohr um die Wechselwirkungszone

  14. Die Luminosität

  15. Der Atlas DetektorA Toroidal LHC AparatuS • 1. Durchbruch im Experiment Startet wie LHC Ende 2007 Laufzeit ca. 15 Jahre Durchmesser: 22m, Länge 46m Masse 7000t 80m unter der Erde Hauptziel: Higgs, Susy … Kosten 350.000.000 €

  16. ATLAS Inhalt • Designkriterien • Inner-Detector • Kalorimeter • Magnetsysteme • Myonspektrometer • Trigger • Events

  17. ATLAS Video

  18. Design Kriterien • Hohe Präzision bei „primary and secondary Vertex resolution“ • Hohe Auflösung bei Transversalimpulsmessung von Leptonen • Tau-Lepton Erkennung • Schwere Quarks • EM Kalorimetrie für Elektron/Photon mit hoher E-Auflösung • Had. Kalorimetrie mit hoher E-Auflösung und auch für fehlende E. • Eff. Myon-Impulsmessung mit Zeitauflös. < kleiner als LHC BC-Rate • Hohe Akzeptanz der Pseudo-Rapidität (detektorabhängig) • Triggering und präzise Messung für Teilchen mit kleinem Transversalimpuls (~20GeV/c²) hoffentlich möglich

  19. Innerer Detektor • Pixel Detektor • Semi-Conductor Tracker (SCT) • Transition Radiation Tracker (TRT) • Umgeben von supraleitendem Central Solenoid Magnetsystem mit B=2T

  20. Der Pixeldetektor • 3 Zylinder von jeweils 4cm, 10cm, 13cm Radius • 5 Scheiben mit Radien von 11 bis 20cm auf jeder Seite • Pixel: 50μm x 300μm • 108 Kanäle • Bestmögliche Nähe zum WW-Punkt

  21. Semi-Conductor Tracker (SCT) • 8 je um 40μrad verdrehte Lagen von Si-Streifen • Spurmessung mit Auflösung von 16μm transversal und 580μm in Strahlrichtung • Vorwärtsrichtung zusätzlich 9 doppelte Scheiben mit gleich guter Auflösung in rΦ • Impulsmessung und Vertexposition

  22. Transition Radiation Tracker (TRT) • „straw“-Detektor • Xenon gefüllt dünne Driftröhren • Dazwischen Radiatorfolien (Übergangsstrahlung wird erzeugt) • 36 weitere Spurpunkte mit Auflösung 170μm

  23. Radiator Röhrchen Radiator Röhrchen

  24. Kalorimetersystem • EM „Akkordeon“ Kalorimeter • Hadronisches Platten-Kalorimeter • Hadronic LAr End Cap Calorimeters (HEC) • Forward LAr Calorimeters (FCAL)

  25. EM „Akkordeon“ Kalorimeter • Pseudo-Rapidität: η= - ln { tan(θ/2) } • Blei – Liquid Argon Kalorimeter • 24 Strahlungslängen im Mittelteil und 26 StL. „End Cap“ • Teilchen durchlaufen vorher 2.3 StL. bei η=0 • 100.000 Kanäle

  26. Hadronisches Platten-Kalorimeter • |η| < 1,6 • 14mm dicke Eisenplatten als Absorber • 3mm dicke Szintillatorplatten aus Polystyrol mit Zusatzstoffen C18H14 (1,5%), C24H16N2O2 (0,04%) (beide λ-Schieber) • Zylinder mit Innen-/Außenradius von 2,28m / 4,25m • 1 mittlerer Zylinder mit Länge 5,64m und 2 anschließende Zylinder von 2,65m Länge (dazwischen 68cm Lücke für Auslese usw.) • Jeder Zylinder  64 unabhängige Azimuthal-Module • Alle 3 Zylinder sind unterteilt in 3 Lagen mit 1,4λ 4,0λ 1,8λ bei η=0 (λ ist die hadronische WW-Länge)

  27. Hadronisches End Cap LAr Kal. (HEC) • 2 unabhängige Scheiben konzentrisch um das Strahlrohr mit Außenradius 2,03m • |η| < 3,2 (in EM-Kal. Kühlung integriert) • Nahe Scheiben: 25mm Cu-Platten • 2 äußere Scheiben 50mm Cu-Platten • Jede Scheibe besteht aus 32 Modulen

  28. Forward LAr Kalorimeter (FCAL) • 3,1 < |η| < 4,9 (wieder in EM End Cap Kühlungsregler integriert) • Nahe dem WW-Punkt  starke Strahlung • Daher hohe Dichte • 9,5 X0, mit 3 Segmenten • 1. Kupfer als EM-Kalorimeter • Beide hinteren Teile aus Wolfram • Mit Röhren in denen LAr als aktives Material • FCAL: 3584 Kanäle insgesamt

  29. Magnetsysteme • Innen: • Central Solenoid (CS)  2,0T • (gleicher Vakuumbehälter wie EM-Kalorimeter) • Außen: • Air-core Barrel Toroid (BT)  3,9T • End Cap Toroid (ECT)  4,1T • ECT um 22,5° gegen BT gedreht, um Bahnkrümmung in Überlappregionen zu optimieren • Jeweils 8 Spulen radial zum Strahlrohr • Jeder der 8 BT Spulen besitzt eigenes Kühlungssystem • ECT besitzt 2 große Kühlungssysteme • Helium  4,7°K (auch CS)

  30. Myon Spektrometer (MS) • 4 Bestandteile: • Cathode Strip Chamber (CSCs) und Monitored Drift Tubes (MDTs) sind Präzisions-Spurkammern • Resistive Plate Chamber (RPCs) und Thin Gap Chamber (TGCs) sind Teil des Level 1 Trigger Systems

  31. Präzisionsspurkammern (CSCs und MDTs) • 3 zylindrische Lagen in der Mitte • 4 Scheiben in den äußeren Bereichen • Jeweils 2 mehrfache Lagen von CSCs nahe dem WW-Punkt und 3 mehrfache Lagen von MDTs weiter außen • CSC: multi-wire Proportionalkammern mit Ortsauflösung von 50μm • MDT: 70 - 630cm lange Aluminiumröhre mit Durchmesser von 30mm • Gefüllt mit Ar-CO2 –Mischung, mit Einzelauflösung 80 μm • Monitored  optische Überwachung der mech. Verformung

  32. RPCs und TGCs • Narrow gas gap Chambers aus zwei widerstandsfähige Platten (isoliert) • Gefüllt mit C2H2F6 und SF6 Mischung • 2 Lagen von Strips zur Auslese (rechtw.) • Orts- / Zeitauflösung 1cm / 1ns • Multi-wire Porportionalkammern mit kleinem Abstand zwischen Kathode – Anode • CO2 und n-C5H12 Mischung • Gute Zeitauflösung und zusammen mit RPCs Bildung von Triggerlevel 1

  33. Level 1 Trigger • Hardware Trigger • LHC produziert 40 MHz * 23 events = 960 MHz • Reduziert auf ca. 75 kHz • Identifiziert Regions of Interest (RoI) • Kein Tracking -> zu hoher Fluss • Weiterleitung zu Level 2 • RoI-Builder combiniert verschiedene Teildetektoren

  34. High Level Trigger System (HLT) • Nach LVL 1 trotzdem noch 160Gbyte/s • Hochwertiges HLT nötig • Bestehend aus Level 2 und Eventfilter • Eventrate auf O(100)Hz reduzieren • ca. 1,5 Mbyte pro Event • Kapazität ca. einige hundert Mbyte/s

  35. Level 2 • Eingang 75 kHz • Schnelle aber limitierte Präzisionsalgorithmen • Nutzt nur ca. 2% der Eventdaten (RoI) • Aber: restliche Eventdaten bleiben in Pipeline • Mittlere Rechenleistung nötig • ca. 10 ms pro Event • Ausgang 1 kHz

  36. Event Filter • Eingang 1 kHz • Vollständige Eventdaten (keine RoI) • Langsame aber genaue Präzisionsalgorithmen • Sehr hohe Rechenleistung • Ausgang 100 Hz • ca. 1s Rechenzeit pro Event • Eventspeicherung auf Band

  37. Event selection Strategie • Riesige Unterschiede in Größenordnungen der WQS • inklusiv •  Rate 6 MHz • inklusive W-Produktion •  300 Hz • StM Higgs (120 GeV) •  0.001 Hz • Unvoreingenommene und effiziente Algorithmen

  38. Physikalische Trigger Objekte

  39. Trigger Menu • Benennungsschema: NoXXi (2e15i) (N: min. Anzahl der Objekte, o: Objekt, XX: Schwellwert, i: Isolationskriterium) • Inclusive physics triggers (Basistriggersystem), Bsp.: 60 i, 2 20i für Zerfall des Higgs • Prescaled physics triggers Bsp.: 1Tau, 2 Tau (verschiedene Schranken, für Z 2xTau) • Exclusive physics triggers Bsp.: e20i+xE25 für Wev • Monitor and Calibration triggers Bsp.: e25  Stellt Triggereffiziens für e25 dar

  40. Abgelehnt!!!

  41. muon muon Akzeptieren oder Verwerfen? Akzeptieren! Supersymmetrie

  42. Abgelehnt!!!

  43. énergie muon Akzeptieren oder Verwerfen? énergie Accepter! boson Higgs

  44. Fanartikel (www.atlas.ch) • 3d-Viewer • T-Shirts und Poster

  45. Der CMS Detektor (Compact Muon Solenoid)

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