Teilchendetektoren Teilchenidentifikation Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien

Teilchendetektoren

Teilchenidentifikation

Christian W. Fabjan, Cern und TU Wien

Themen

• Was ist Teilchenidentifikation ?• Flugzeitmessung• Vielfachenergieverlustmessung• Cherenkov-Detektoren• Übergangsstrahlung

4. TIELCHENIDENTIFIZIERUNG

WAS IST TEILCHENIDENDIFIZIERUNG ?

Bestimmung der Masse ‘stabiler Hadronen: , K, p in Abhängigkeit vor γL =

Flugzeitmessung

Vielfach-Energieverlustmessung Cherenkov-Detektoren Übergangsstrahlungs-Detektoren

Messung der charakteristischen Lebensdauer (Charm, Beauty, τ-Lepton) Typischer Bereich: 10-8 bis 10-13s

Kinematische Methoden

Invariante Masse der Zerfallsprodukte

Fehlende Energie/Impuls

Kalorimetrische Schauerausbreitung

von Elektronen (Photonen) vs. Hadron

-1/22 )β1( Beruht auf Impulsmessung p=mcßγ, kombiniert mit ß oder γ MessungDiese vier Methodenwerden diskutiert

4.1 FLUGZEIT- MESSUNG

• KOMBINIERTE MESSUNG von IMPULS und GESCHWINDIGKEIT revolutioniert (‘Renaissance’) durch Entwicklung hochauflösender RPCs (‘Timing’ RPCs)

Benötigt werden: σ(Zeit) ~50 ps

Bis jetzt : Szintillationszähler,

Neuerdings…..Timing-RPCs

130 mmactive area 70 mm

M5 nylon screw to hold fishing-line spacer

honeycomb panel (10 mm thick)

external glass plates 0.55 mm thick

internal glass plates (0.4 mm thick)

connection to bring cathode signal to central read-out PCB

Honeycomb panel (10 mm thick)

PCB with cathode pickup pads

5 gas gaps of 250 micron

PCB with anode pickup pads

Cross section of double-stack MRPC - ALICE TOF

Silicon sealing compound

PCB with cathode pickup pads

Flat cable connectorDifferential signal sent from

strip to interface card

Mylar film (250 micron thick)

Double stack - each stack has 5 gaps

(i.e. 10 gaps in total)

250 micron gaps with spacers made of fishing line

Specifications

Resistive plates ‘off-the-shelf’ soda lime glass

400 micron internal glass550 micron external glass

Resistive coating 5 M/square

Detector consists of a stack of glass plates

DETAILS der ‘TIMING’(MULTIGAP)-RPC

ZEITAUFLÖSUNG und EFFIZIENZALICE Time of Flight 160 m2 160,000 channels better than 100 ps time resolution

Detector : double stack MRPC - 10 gaps of 250 micron

ADC bins

ADC bins

ADC bins pedestal

Resolution (ps)

65

60

55

50

45

405.6 6.0 6.4 6.8

Applied differential voltage [+- kV]

5.6 6.0 6.4 6.8Applied differential voltage [+- kV]

Efficiency [%]100

95

90

85

80

75

n.b. Alice detector R&D ended - design frozen

Typical performance

1

10

102

103

= 61.4 ps

-1000 -500 0 500 1000Time [ps]

En

trie

s /

25

ps

1

10

102

103

-1000 0 1000Time [ps]

= 64.5 ps

En

trie

s /

50

ps

ZEITAUFLÖSUNG

20 m cable : TDC are ‘common start’ - therefore need cable

delay

20 ps time resolution7 m cable : TDC operates on

a ‘time stamp’ principle

Big reduction in tails - tails related to length of cable

New HPTDC ASIC (25 ps bins)CAMAC TDC (50 ps bins)

Hohe Zeitauflösung durch kleine Elektrodenabstände,gute Effizienz durch mehrere Detektor-Einheiten

PHYSIKBEISPIEL:

ANWENDUNG DER FLUGZEITMESSUNG FÜR , K-IDENTIFIZIERUNG VON CHARM ZERFÄLLESPEAR: MARKII KOLLABORATION (1976)

a) a) bis c) : invariantes Masse Spektrum für beliebige Massenzuordnung der Teilchen

b) d) bis f) : gemessene Flugzeit war statistisch verwendet um Teilchenmasse zu bestimmen; eine klare Resonanz ist für den Fall πK gesehen

c) g) bis i) wie b),für drei-Körper Zerfälle

4.2 VIELFACH – ENERGIEVERLUST(VEV) MESSUNG

PRINZIP: • Ionisations – Energieverlust ist abhängig βγ • Wiederholte Messung des Energieverlustes erlauber Bestimmung von βγ, wenn Impuls bekannt ist

PROBLMATIK (1): pro Zentimeter Gas auf Grund von Landauverteilung und Gasverstärkungs-Fluktuationen :

Energieverlust hat FBHM ~ 100% typischerweise werden 100 bis 200 Messungen benötigt, um

dE/dx mit σ < 5 % zu bestimmen

PROBLEMATIK (2) : notwendige Präzision der VEV- Messung erfordert hohe Kontrolle der Messfehler

TYPISCHER ANWENDUNGSBEREICH : begrenzt durch Fermi-Plateau auf βγ < ~ 100

VIELFACH – ENERGIEVERLUST MESSUNG

- Theorie des Ionisationsverlustes verstanden;

auf Grund des Interesses an VEV Identifikation erweitert durch Einbezug der Atomnieveaus der Gase

im relativistischen Anstieg

(5 bis 50 GeV/c) sind Unterschiede

im mittleren

dE/dx circa 10%;

signifikante Identifikation erfordert Genauigkeit von

einigen Prozent

SYSTEMATISCHE EINFLÜSSE AUF ENERGIEVERLUSTMESSUNG

- UNTERSCHIEDLICHE RÄUMLICHE UND ZEITLICHE PRIMÄRE LADUNGSVERTEILUNG→RAUMLADUNGSEFFEKTE BEEINFLUSSEN SIGNALVERSTÄRKUNG REINHEIT DER ZÄHLGASE: GERINGE(10-6) VERUNREINIGUNGEN KÖNNEN VERLUST FREIER ELEKTRONEN VERURSACHEN; PROPORTIONALITÄT DER GASVERSTÄRKUNG: FÜR , NICHTLINEARITÄT (‘SATURATION’) DER GASVERSTÄRKUNG; d.h: PRIMÄRER ENERGIEVERLUST≠ REGESTRIERTES SIGNAL ABWEICHUNG IN DER GEOMETRIE DER PROPORTIONALKAMMER

- SYSTEMATISCHE FEHLER IN DER AUSLESEELEKTRONIK (VER-- STÄRKUNG,NICHTLINEARITÄTEN)

10~α ;d

d~

A

A

410A

PROBLMATIK (2) : KORREKTUREN…

KORREKTUREN : müssen auf 1% - Niveau verstanden werden

The Pioneer : PEP4

TPC wurde bei 8.5 atm Gasdruck (80% Ar/20% CH4 ) betriebenMaximal konnten 185 dE/dx Messungen pro Spur gemacht werden

BEISPIEL:dE/dx IDENTIFIKATION IN ALEPH TPC

• Rekonstruierter Energieverlust dE/dx als Funktion des Impulses

• Durchgehende Linien geben den mittleren Energieverlust für die angegebenen Teilchen

• Werte normalisiert auf Eins für minimal ionisierende Teichen

Simulated TPC PID separation in the Alice TPC

4.3 CHERENKOV DETEKTOREN FÜR GESCHWINDIGKEITSMESSUNG

CHERENKOV EFFEKT:

• Elektromagnetische WW: einfallendes geladenes Teilchen polarisiert Medium zeitlich veränderliches Dipolmoment, wenn Teilchengeschwindigkeit υ > c/n ; n(.λ)... Brechungsindex

• Abstrahlung unter cosθch = 1 /nβ , d.h. eine Messung der Abstrahlrichtung der Cherenkov Photonen erlaubt eine direkte Messung von β

Electromagnetic Shower Hadronic Shower

Cherenkov Effect

CHERENKOV-WINKEL vs β und n

• Cherenkov Winkel in Abhängigkeit der Teilchengeschwindigkeit β für verschiedenen Brechungindexe n

• Für sehr relativistische Teilchen ( β ~ 1) ist der entsprechende Winkelbereich sehr klein

CHERENKOV - STRAHLUNG

• CHERENKOV – ENERGIEVERLUST: ist e.m Effekt → berechenbar

dN/dx ~ 1/λ

für n=konst. : dN/dx=2πα Z2 sin2θCH (1/λ2 – 1/λ1)

• ZAHLENBEISPIEL : λ1 = 400nm ; λ2 = 700nm

dN / dx 4.9 x 102 . sin2 θc [cm-1]

für n = 1.001 βSCH = 0.999 sin2θ CH ~ 2 x 10-3

dN / dx = 2 x 4, 9 x 10 –1 ~ 1 [cm-1]

d.h.: ungefähr ein Photon pro Zentimeter abgestrahlt...

2222 λ / )dλn1/β(1 x Z2π)/dXdN(Photons

‘SCHWELLEN’ CHERENKOV

• Diskriminierung zwischen zwei Teilchen gleichen Impulses, p, und verschiedener Massen

• m1 < m2 ; β1 > β2

• Brechungsindex so gewählt, daß

• β2 ≤ 1/n, β1 > 1/n

• Intensität N

• N ~ (1- 1/ β1 2 n2)

• für γ >> 1; β2 = 1/n

•

• N ~ c2(m22 γ2

2-m1 γ12)/p2

• Zahl der Photonen (λ1 = 400 nm; λ2 = 700nm)

• Nγ = 490 ε L [cm] c2 (m22 γ2

2 –m12 γ1

2) / p2 ~ L ~ 1/ γ2

• ε … Quanteneffizienz ( typisch 20 bis 30 % )

CHERENKOV - RADIATOREN

MATERIAL n - 1 (SCHWELLE)

GLAS 0.41 – 0.75 1.22 – 1.37

SZINTILLATOR 0.58 1.29

PLEXIGLAS 0.48 1.36

WASSER 0.33 1.52

AEROGEL 0.025 – 0.075 4.5 – 2.7

CO2 34.1

He 123

410x3.4

S

510x3.3

Example of a Threshhold Cherenkov System (Tasso)

FOKUSIERENDE CHERENKOV DETEKTOREN

• MODERNE CHERENKOV DETEKTOREN MESSEN:

Photonen und deren Abstrahlungsrichtung

direkte Geschwindigkeitsmessung

• PRINZIP : Fokusierung mit sphärischem Spiegel mit Brennweite f Cherenkov - Kegel in Ring fokussiert

• Ringradius R= f. tgθ CH = f (n/γsch) [1-(γsch/γ)2 ] 1 /2

RICH (Ring Imaging Cherenkov):GESCHWINDIGKEITSAUFLÖSUNG

• FUNDAMENTALE BEGRENZUNG: Chromatische Aberration Δn / n des Brechungsindex im

Cherenkov Radiator• ZUSÄTZLICH:

geometische Fehler der Ortsmässung der Photonen : Δθ• AUFLÖSUNGSVERMÖGEN

Δγ / γ = γ2 β3 n Δθ / (N0L) ½

• NACHWEIS DER CHERENKOV – PHOTONEN

• UV-empfindliche MWPCs : Beigabe von Gasen mit geringem Ionisationspotential

• Aufdampfen von Photokathoden auf einer Kathodenebene einer MWPC-Struktur

BEITRÄGE ZUR AUFLÖSUNG

Material CF4 C4 F10 Aerogel

L [cm]

n

[mrad]

Pthresh (π) [GeV/c]

Pthresh (K) [GeV/c]

167

1.005

32

4.4

15.6

85

1.0014

53

2.6

9.3

5

1.03

242

0.6

2.0

maxcθ

emissionθσchromaticθσpixelθσtrackθσtotalθσ

pen

[mrad]

[mrad]

[mrad]

[mrad]

[mrad]

18.4

0.58

0.20

0.18

0.42

0.31

7.32

45.1

42.0

83.0

81.0

74.0

6.6

00.2

26.0

78.0

61.1

60.0

Beispiel:LHCb-Rich

AUSLESE METMODEN FÜR CHERENKOV -PHOTONEN

• UV-EMPFINDLICHE MWPCs

(DELPHI,…)

• MWPC mit UV-empfindlicher Photokathode (CsI auf Padebene )

(COMPASS, ALICE,..)

• UV-empfindliche Photomltiplier mit hoher Ortsauflösung

(geplant für LHC-b…)

Nachweis von UV-Photonen durch Ionisation organischer Dämpfe

140 150 160 170 180 190 200 210 220 230

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6transparency cutoffof fused silica

Energy[eV]

TMAE TEA

Qua

ntum

effi

cien

cy

Wavelength [nm]

9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5

DER PIONIER : DELPHI

Querschnitt durch den Delphi Detektor: bei grossen Winkeln (‘Barrel’) (niedrigere Impulse) wurden ein Flüssig-Radiator und ein Gas-Radiator verwendet;ebenso bei kleinen Winkeln (höheren Impulsen)

PRINZIP des ALICE RICH (HMPID) Auslese mit CsI-Photokathode auf Padebene

(‘Proximity Focusing’)

CsI photocathodes quantum efficiency CsI photocathodes quantum efficiency

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

5.5 6 6.5 7 7.5 8photon energy [eV]

CsI

ph

oto

cath

od

e Q

E

PC32 (@STAR)

PC33

PC34

PC35

PC37, PC39

PC38

Die Herstellung von CsI Photokathoden war lange Zeit ‘Schwarze Magie’, wurde aber in den letzten Jahren zu einer reproduzierbaren Methode entwickelt

DER TEUFEL SITZT IM DETAIL … DER TEUFEL SITZT IM DETAIL …

gold front gold front surface (0.4 surface (0.4

m)m)

nickel barrier layer nickel barrier layer (7(7m)m)

multilayer multilayer pcb with pcb with metalized metalized holesholes

CsCsII

Photocathode PCBsPhotocathode PCBssplit into two multilayersplit into two multilayercircuits (SMD connectors for FEE cards)circuits (SMD connectors for FEE cards)

GROUNDGROUND PLANE PLANE40 c

m40 c

m

60 cm60 cm

First event recorded through the full FEE chain GASSIPLEX + ADC + DILOGIC

34

HMPID: Installed; being commissioned

HMPID (Sept ’06)

UV-empfindliche Photomultiplier mit hoher Ortsauflösung (LHC-b)

FOKUSSIERENDE CHERENKOVS:DIE ASTRONOMISCHE FRONT

Whipple Observatory

Gute (10-2) Hadronen Unterdrückung durch Analyse des Cherenkov-Lichtes ( EM Schauer sind kollimiert)

ÜBERGANGSSTRAHLUNG (ÜST)

ÜST : elektromagnetische Effekt, wenn ultrarelativistische Teilchen (γ>>1) durch Grenzfläche zweier Medien mit verschiedener dielektrischer Konstante (ε1 , ε2) fliegen

ÜST ist ein em Effekt und deshalb (im Prinzip) genau berechenbarPolarisationsvektor zeitlich veränderliches Potential A (r,w)

StrahlungCharakteristische Länge der Neuverteilung der Ladungen :

Formationslänge

CHARAKTERISISCHE EIGENSCHAFTEN DER ÜST

ABGESTRAHLTE GESAMTENERGIE (Pro Materialübergang) W=αγhωP /3π proportional zu Loretzfaktor γ ωp … Plasmafrequenz ; ωp

2 = 4παNAρ/Ame ωp (Polyethylen) = 20eV

TEILCHEN muss FORMATIONSLÄNGE durchlaufen, um signifikant zu strahlen Interferenz

Formationslänge : in Luft: einige mm (γ abhängig) Polyethylen : 10-20 μ m

ABGESTRAHLTE PHOTONEN : im Röntgenbereich;

einige keV bis 100 keV

ZAHL der ABGESTRAHLTEN PHOTONEN

<N> ~ W / hνüst ~ O (α) α… Feinstruktur-Konstante

Für meßbaren Effekt … hunderte von Materialübergängen benötigt

WINKELVERTEILUNG w (θ) ~ 1/γ

ÜBERGANGSTRAHLUNG : THEORIE UND EXPERIMENT

Wie alle elektromagnetischen Effekte : präzise berechenbar (obwohl die Entwicklung der theoretischen Beschreibung fast 30 Jahre dauerte…)

Theorie wird zur Optimierung von :

Folienmaterial, Foliendicke, Abstrand,…als Funktion des

γ-Bereiches verwendet

ÜBERGANGSTRAHLUNG : OPTIMIERUNG

Im ALLGEMEINEN : ÜST – PHOTONEN und IONISATION werden in DETEKTOREN überlagert gemessen

( Photonen und Teilchen kollimiert)

OPTIMIERUNG: Folien (Fasern) mit sehr niedrigem Z (Li, PE,..) um Absorption minimal zu halten; Detektorgas mit hohem Z (Xe), um Photonen-Absorption relativ zu dE/dx zu optimieren

ÜST – PHOTON oderDelta Elektron

ATLAS TRT (TRANSITION RADIATION TRACKER)

AUFGABE: Elektronen identifikation

- bei Nominal-Luminosität (~109 Kollisionen/sec)

- trotz hohen Untergrundes (Neutronen, Photonen..)

LŐSUNG: extrem hohe Granularität des Detektors:

380000 ‘Strohhalme’ :

4 mm Durchmesser Proportional – Röhren gefüllt mit (Xe/CO2/O2 : 70/20/10)

AUSLESE: Driftzeit-Messung zur verbesserten Ortsauflösung.

Zwei-Schwellen Diskriminatoren erlaubt ‘Cluster’-Auslese

The detector has been constructed, tested Good quality demonstrated

TRT endcap wheels reception

Integration work at CERN terminated; installed

ATLAS TRD am LHC:KONSTRUKTION UND POTENTIAL

e/hadron rejection of ATLAS TRD One of 72 ATLAS TRD Disks

DER ‘INNER DETECTOR’ des ATLAS EXPERIMENTES

Länges des TRT: 8 m

Durchmesser: 2m

ALICE TRD

AUFGABE :

LÖSUNG:

KONSTRUKTION: Modulare Konstruktion Radial : 6 Radiator – Kammer Lagen

Gas: Xe (85) : CO2 (15) Padkammern mit 3cm Drift / Konversions-Volumen

•Elektronen- Identifikation UND (erstmals)

•Elecktronen trigger (!) in Ionen-Ionen-Kollsionen mit extrem hoher Teilchenmultiziplität (bis zu ~ 50000 pro Ereignis)

•Spurenvektor

•Extrem hohe Granularität (1.2 x 106 Kanäle)

•Sehr innovative Auslese-Elektronik, gekoppelt an

•Sehr innovativen ‘Tracklet’ - Prozessor

ALICE TRD - Principle

47

TRD - Signal Generation & Processing

48

• electron ID in central barrel p>1 GeV/c

• fast trigger for high momentum particles (hadrons, electrons)

• 540 detectors ~ 760m2

• 18 super modules

• length: 7m

• X/X0 ~ 22 %

• 28 m3 Xe/CO2 (85/15)

• 1.2 million channels

Transition Radiation Detector (TRD)

ALICE TRD

Status: partially installed; being commissioned

49

Particle Identification in ALICE

• ‘stable’ hadrons (π, K, p): 100 MeV/c < p < 5 GeV/c; (π and p with ~ 80 % purity to ~ 60 GeV/c)• dE/dx in silicon (ITS) and gas (TPC) + time-of-flight (TOF) + Cherenkov (RICH)

• decay topologies (K0, K+, K-, Λ, D)• K and L decays beyond 10 GeV/c

• leptons (e,μ ), photons, π0

• electrons TRD: p > 1 GeV/c, muons: p > 5 GeV/c, π0 in PHOS: 1 < p < 80 GeV/c

• excellent particle ID up to ~ 50 to 60 GeV/c

TEILCHEN IDENTIFIKATION : ZUSAMMENFASSUNG

METHODEN perfektioniert, um der Geschwindigkeitsbereich 1 γ < 10,000 abzudecken

Manchmal ist die NATUR den Physikern freundlich gesinnt und hat eine Lösung für alle Fälle vorbereitet….