3. TESLA-Detektor - maria-laach.tp.nt.uni-siegen.de · Gas Electron Multiplier u. MicroMEGAS Elektronsignal auf Pads , 2 dim. Symmetrie, kleiner Abstand zw. Löchern (kaum ExB) Dintrinsisch

Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 1

3. TESLA-Detektor

Anforderungen, Konzepte, Entwicklungen


Physikalische Fragestellungen

•ZHH

Ziel: Präzisionsuntersuchungen

des Higgs-Sektors

des SUSY-Teilchen-Spektrums

von „alternativen“ Theorien

des „bekannten“ Standardmodells (t,W)

Weg:

Selektion von seltenen Prozessen(σ = 0.3 fb für ZHH = 1/10000 UG)

Genaue Rekonstruktion von Leptonen, Photonen, Jets und Fehlender Energie

Beschleuniger mit hoher Luminosität

Detektor für Präzisionsmessungen


Warum nicht LEP/SLC Detektoren kopieren ?

Anforderungen durch Physik und Beschleuniger höher

und verschieden zu denen am LHC


Anforderungen durch die Physik

Impuls: δ(1/p) = 7 x 10-5/GeV (1/10xLEP,LHC)Bestimmung von ΜΗ e+e- ZH ll X

Stossparameter : δd=5⊕10/p(GeV)µm (1/3xSLD)“flavour tagging“, z.B. Messung der

Verzweigungsverhältnisse des Higgs-Bosons

Jetenergie: δE/E = 0.3/√E(GeV) (<1/2xLEP)∆MDijet ~ ΓZ/W z.B. Trennung vone+e- ννWW ννqqqq and e+e- ννZZ ννqqqq

LC LEP

Rekonstruktion von Multijetendzuständen: e.g. e+e- H+H- tbtb bqqb bqqb

hermetisch bis zu Winkeln von θ = 5 mradSignaturen mit fehlender Energie (z.B. SUSY)


Anforderungen durch Beschleuniger950 µs 199 ms 950 µs

2820 bunches

Zeitstruktur:

5 bunch trains/s ∆tbunch=337ns

Ereignisraten: Luminosität: 3.4x1034 cm-2 s-1 (6000xLEP)e+e- qq,WW,tt,HX 0.1 / train e+e- γγ X:~200 /train

Untergrund durch Beamstrahlung:600 Treffer/BX im Vertexdetektor, 6 Spuren/BX in TPC Vertexdetektor und TPC „integrieren“ über 150 BX

Auslesegeschwindigkeit / Granularität für stabile und effiziente Ereignisrekonstruktion

Strahlenhärte (fast) kein Problem im Vergleich mit LHC1. Lage des Vertexdetektors: n/cm2/yr 109 TESLA, 1014 LHC Strahlenbelastung durch Untergrund, kaum durch Physikereignisse

Design durch Präzisionsphysik bestimmt, nicht durch Strahlenhärte und Ereignisrate


Beamstrahlung und Maske

Beamstrahlung erzeugt

6x1010 Photonen/BX 140000 e+e-Paare/BX + Sekundärteilchen

viele verschwinden entlang Strahlröhre (B=4 Tesla)

L*=3m

Abschirmung durch „Maske“

Dennoch:

VTX1: 0.03 Treffer/mm2/BX TPC: 6 Spuren, 1400 γ,1500n/BX Kalorimeter: 12GeV/BX „Vorwärts“-Kal.: 20TeV/BX


Detektorkonzept

Spurdetektoren und beide Kalorimeter innerhalb der Spule

Magnetfeld B = 4 Tesla

Große gasgefülltezentrale Spurkammer

Präzisionsvertexdetektor

Kein „Hardware-Trigger“, daher keine Totzeitkontinuierliche Datenauslese für einen „Bunch Train“ (1ms)

Nullunterdrückung, Treffererkennung, Digitalisierung in FE-Elektronik


Impulsauflösung: SpurdetektorenSchlüsselprozess

Unabhängig vom H Zerfall

Rückstossmasse zu ll: MH, σZH, gZZH, Spin

Winkelverteilung der ll: Spin, CP,...e+e- Z ZH ll X

Ziel: δMµµ <0.1x ΓΖ

δ(1/p) = 7x10-5/GeV

Unterdrückung des Untergrundes

gute Auflösung für Rückstossmasse

Präzise Messung der Lepton-Impulse


Spurdetektorsystem im Überblick

Zentralbereich:Pixelvertexdetektor (VTX)Silizium-Streifendetektor (SIT)Zeitprojektionskammer (TPC)

Vorwärtsbereich:Räder in Silziumtechnologie (FTD) Vorwärtsspurkammer (FCH)(z.B. Strawtubes,Si-Streifen)

E- u. B-Feld

Anforderungen:

Effiziente Spurerkennung/gute Auflösung bis zu kleinsten Winkeln

Separate, robuste Spurfindung in TPC (240) und in VTX+SIT (7 Punkte) erlaubt gegenseitige Kalibration, Alignment

exzellente Impulsauflösung δ(1/p) < 7 x 10-5 /GeV


Gasgefüllter oder Silizium Spurdetektor?

gasgefüllt Silizium

Menschliches Auge bevorzugt „links“

für Spurerkennung


Motivation für eine TPC

Große Anzahl ~0(100) von dreidimensionalen Spurpunkteneffiziente Spurrekonstruktion

Neue schwere stabile Teilchen GMSB SUSY: µ µ + G~ ~

Minimales totes Materialgeringer Einfluß auf Kalorimetriegeringe Vielfachstreuung wenig Photonkonversionen

dE/dx Teilchenidenzifizierung Spuren bis zu großem R Rekonstruktion von V0,„KinkTracks“


Impulsmessung mit der TPC

treuung)(VielfachS p (geom) p/p ∆+×∆=∆

BLSagitta

4N720

0.3BL geom) 2

nktPu ∆=

+=(∆

σ

kleine Punktauflösung σpunkt

hohes Magnetfeld B

großer Hebelarm L=Ra-Ri

viele Spurpunkte N

0LXB0.045(VS) =∆ Materialen mit grosser

Strahlungslänge X0


Design der TPC

0.7x

E- u. B-Feld

Driftzeit 50 µs = 160 BX 80000 Treffer in TPC (Physik+UG)

8x108 readout cells (1.2MPads+20MHz) 0.1% getroffen

Kein Problem für Spurerkennung und -rekonstruktion


Technologien für Gasverstärkung

Alternativen: Gas Electron Multiplier u. MicroMEGAS

Elektronsignal auf Pads , 2 dim. Symmetrie, kleiner Abstand zw. Löchern (kaum ExB)

intrinsisch bessere Auflösung

Unterdrückung des Ionenrückflusses

keine Drahtspannung dünnere Endkappen

Bisherige TPCs mit Drahtkammer:

breites Induktionssignal auf Pads

Auflösung limitiert durch: ExB Effekte, Winkel zw. Spur u. Drahtebene

starker Ionenrückfluss ohne „Gating“

„dicke“ Endplatte wegen Drahtspannung


GEMS und MICROMEGAS

Lawine in GEM-Folie Kaskadierung möglich

Lawine zwischen Gitter und Pads

Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 %Ziel für Ortspunktauflösung: 100 µm


Intermediäre SpurdetektorenSIT: 2 Lagen Si-Strips σrφ = 10µm

Spurmatching von TPC to VTX Vergrösserung um 4 %

Verbesserte Impulsauflösung: TPC+VTX: σ(1/p) = 0.7 x 10-4 GeV-1

V0-Reco. Eff. 73 86%

+SIT : σ(1/p) = 0.5 x 10-4 GeV-1

FTD: 7 Disks 3 Lagen aus Si-Pixeln 50x300µm2

4 Lagen aus Si-Streifen σrφ= 90µmFCH: 4 LagenStrawtubes oder Siliziumstreifen

“Vorwärtsdetektoren” (e.g. e+e- WW qqlν)Verbesserte Impulsauflösungbei kleinen Winkeln

250 GeV µ


Spurdetektoren: Rekonstruktiongüte

Effizienz der Spurrekonstruktion: ε=98.4% (inklusive Untergrund)

Nur TPC

Z-Masse Rückstossmasse

e e HZ bbµ µ+ − + −→ →

TPC+ VTX + SIT


Rekonstruktionsgüte Physik

e e HZ bbµ µ+ − + −→ →

Messgenaugkeit der Rückstossmasse (1.3 GeV)nicht durch Detektorsondern durch Beamstrahlung dominiert

δMH = 80 MeV

δσ/σ=0.03


Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor

Ziel: exzellente Identifikation von Quark Flavour

z.B: für Test von gffH~mfvia Messung der Verzweigungsverhältnisse H bb,cc,gg mit Fehler O(%)

l/σl

M

IP

Sekundärvertex

Mittel:Rekonstruktion von Sekundärvertices

Diskriminierende GrössenZerfallslängensignifikanz l/σl , Vertexmasse M, Vertexladung Q, ….

Alle Spuren im Zerfall finden


Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor

b: 300 µm „harmlos“ c,τ: 75 µm „herausfordernd“<p> = 1 bis 2 GeV

σd= a ⊕ b/p

Ziel: 5µm 10µm

do .

Präzise Messung des Stossparameters do

IP

Kleines σd:erster Spurpunkt nahe am IP kleines R1 gute Punktauflösung kleine Sensorzellenwenig Vielfachstreung,Konversionen dünne Sensoren


Vertexdetektor: Konzept

Pixeldetektor mit 5 Lagen (15 bis 60 mm)

Radius der innersten Lage: 15 mm (1/2 SLD, 1/4 LEP)

Pixelgrösse: 20x20µm2, σPunkt < 3 µm

Sensordicke: 0.1 % X0 pro Lage (1/4 SLD)

800 Millionen Auslesekanäle (300 Mpixel @SLD)


Vertexdetektor: Untergrund

Auslese an beiden Leiterenden in Lage1 Taktfrequenz 50 MHz, 2500 Pixelreihen

komplette Auslesezeit: 50µs ~ 150BX

<1% aller Pixel mit Treffer kein Problem für Spurerkennung

erwartet

e+e- Paare:

Grosses B-Feld wichtig

Erste Lage am kritischsten 0.03 Treffer/mm2/BX

100 krad in 5 Jahren


Vertexdetektor: TechnologieoptionenEtablierte Technologieoption: CCDs

Exzellente Erfahrung von SLD (300 Millionen Kanäle)

F&E: Effizienz und Stabilität des Ladungstransports Auslesegeschwindigkeit, dünne Sensoren, mechanische Stabilität, Strahlenhärte

Auslese

„Neue“ Technologien: MAPS (Monolithtic Activ Pixel Sensors) undDEPFET (Depleted Field Effect Transistor)

jeder Pixel selektiv ansteuerbar

nur jeweils eine Zeile aktiv geringerer Leistungsverbrauch

erste Signalverarbeitung im Pixel geringeres Rauschen

Ste

ueru

ng

Auslese


Vertexdetektor: TechnologieoptionenMonolithtic Activ Pixel Sensors

Standard CMOS-Technologie

Ladung aus „EpitaxialLayer“ diffundiert thermisch zum „N well“

Depleted Field Effect TransistorLadung wird in der Potentialmulde (internes „Gate“) gesammelt

Modulierung des Transistorstroms

p+

p+ n+

n

n+

totally depletedn--substrate

internal gate

rear contact

source top gate drain bulk potential via axistop-gate / rear contact

V

potential minimumfor electrons

p-channelp+

--

- -++

++-

-


Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte

Erwartete Auflösung in r,φ und r,z

σ= 4.2 ⊕ 4.0/p(GeV)µm

l/σl

M

e.g. vertex mass

c-Quark-ID: Faktor 2 bis 3 besser als SLD

1.Lage bei 1.5 cm wichtig !!(c-Tag: Effizienz um 10% kleiner ohne Lage 1)•LEP-c



Messung von H xx

Mit Genauigkeit von

2.4 % für bb

8.3 % für cc

5.5 % für gg



Messung der Higgs Kopplungen an b und c Quarks:

Detektordesign hat direkte Auswirkung auf Physikergebnisse !


Anforderungen an die Kalorimetrie

Primäres Ziel:

Exzellente Auflösungfür Jet-Energien

δE/E = 0.3/√E (GeV) (1/2 LEP)

viel der LC Physik wird durch die Rekonstruction der invariantenMassen von Jets in hadronischenEndzuständen bestimmt

Genaue Rekonstruktionvon Photonen(Energie und Winkel)

Hermetisch bis zukleinen Polarwinkeln


Warum δE/E = 0.3/√E (GeV) ?

Falls kein Higgs-Boson:

Enträtselung der elektro-schwachenSymmetriebrechung mittels Messung von ?

e+e- ννWW(ZZ) ννqqqq

δE/E = 0.3/√E δE/E=0.6/√EBestimmung derbeiden Dijetmassen:UnterscheidungWW und ZZ

TESLA LEP


Ziel: Rekonstruktion der 4er-Impulse der Quarks

Im Detektor: Spuren und Energiedepositionen

Rekonstruktion von Quarkimpulsen

ZHH qqbbbb

Kinematische Fits oft nicht anwendbar: Beamstr., ISR, ν, LSPIntrinsische Energieauflösung ist von grosser Bedeutung

Design optimiert für Energie/Teilchenfluss-Algorithmen

Energie/Teilchenfluss-Algorithmus


Energiefluss-Algorithmus

Idee: identifiziere die einzelnen Teilchen, rekonstruiere ihre 4er-Impulse und finde die Jets=Quarks

Energie im Jet: 60 % geladene Teilchen:30 % γ :10 %KL,n

Messung von

Geladene Teilchen in Spurkammer

Photonen im el.-mag. Kalorimeter

Rest (n,K0) im hadron. Kalorimeter



2confusion

2neut.had.

2photons

2charged

2jet

had. neut.photonschargedjet

σσσσσ +++=

++=

EEEE

EEEE

Ohne die vernachlässigbaren Fehler auf die Spurimpulse:

„Konfusion“ dominiert

( ) ( ) ( ) ( )GeV3.0GeV14.0 jet22

confusionjet22

jet ⋅≈+⋅≈ EEE σσ

2confusionσ

γ

KL,n

π

Ideale Rekonstruktion

= Schauerüberlapp, Doppelzählung von p und E für geladene Teilchen, Missidentfikation,…

e

HCAL

ECAL


Reduzierung der “Konfusion”

Trennung der Energiedepositionen

• grosser innerer Radius des ECAL und starkes Magnetfeld Separation der Teilchen ∆x~BL2/(RM ⊕ D) 1/p

• kleine Strahlungslänge X0 und Moliereradius RMolierekompakte Schauer, geringer Schauerüberlapp

• hohe laterale Granularität D ~ O(RMoliere) Trennung der Schauer

Unterscheidung zwischen elektromagnetischen und hadronischen Schauern

• kleines X0/λhad • longitudinale Segmentierung

Granularität wichtiger als Energieauflösung !


Absorbermaterial: Eisen Wolfram

Eisen Wolfram

X0/λhad = 1/27

RMoliere = 0.9 cm

X0/λhad = 1/10

RMoliere = 2.1 cm


Kalorimeter : (ein) Konzept

HCAL

ECALHCAL: Stahl + digitale Auslese via RPCs,GEMS,…

Transversale Segmentierung: 1x1 cm2

Longitudinal Segmentierung: 9-12 4.5 – 6.2 λhad (begrenzt durch Spule)δE/E =0.35/√E(GeV) ⊕ 0.03

ECAL: Silizum-Wolfram- Sampling-Kalorimeter

Transversale Segmentatierung:1x1cm2

angepasst an MolierradiusLongitudinale Segmentierung:

40 Lagen (24 X0, 0.9λhad)

δE/E = 0.11/√E(GeV) ⊕ 0.01

Mit diesem Design: δE/E = 0.3/√E (GeV)

32 cm


Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte

LEP-Detektor

UG

Signal

Messung der Higgsselbstkopplung λ in ZHH qqbbbb

2 2 212 34 56( ) ( ) ( )H H ZDist m m m m m m= − + − + −

TESLA

6 B

S = 3 B

S =


Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte

Simulation eines 50 GeV im SiW-Kalorimeter0π γγ→

Photonen separierbar

Richtung der Photonenbestimmbar wegentransversaler und longitudinalerSegmentierung


Rekonstruktion von Photonen

δθ = 68mrad/√E(GeV) ⊕ 8mrad ohne Vertexeinschränkung

Wichtig für z.B.

Neutralino Gravitino+Photon (GMSB-SUSY)

Photonstossparameter ∆dγ~1cm

TESLA

OPAL


„Vorwärts“-Kalorimeter

LCAL: „Beam diagnostics“ und schnelle Lumi.-Messung (28 to 5 mrad) ~104 e+e— Paare/BX 20 TeV/BX 2MGy/yr

Strahlenharte Technologie: SiW, Diamond/W Kalorimeter oder Szintillatorkristalle

LAT: Luminositätsmessung mit Bhabhas (83 to 27 mrad) SiW Sampling CalorimeterZiel: ∆L/L ~ 10-4 benötigt ∆θ = 1.4 µrad

L* = 3 m

Aufgabe:

Abschirmung des Untergrundes

hermetisch / Veto

f

f

e

e


Zusammenfassung: Detektor

Detektordesign wird durch Präzisionsphysik, nicht durch Ereignisrate oder Strahlenhärte bestimmt

Die Anforderungen übertreffen die von LEP/SLD bis Faktor 10 und sind verschieden zu denen am LHC

F&E: großer Profit von Erfahrung für/von LHC, TEVATRON, RHIC, B-Fabriken, HERA,….

Design (fast) unabhängig von Beschleunigertechnologie: supraleitend (TESLA) u. normalleitend (NLC,JLC)

weltweite, gemeinsame F&E-Aktivitäten

Design und Rekonstruktionsgüte herrausforderndF&E braucht Zeit Schon heute beginnen !



GEM Auslese und PunktauflösungAuslese via Drahtkammer:

GEM readout :

• induziertes positives Signal• Ladung auf mehreren Pads• verbesserte Punktauflösung

• induzierte Ladung zu klein• Elektronsignal auf den Pads• oft keine Ladungsteilung

Verbesserte Punktauflösungdurch z.B. “Chevron”-Pads



2confusion

2neut.had.

2photons

2charged

2jet

had. neut.photonschargedjet

σσσσσ +++=

++=

EEEE

EEEE

Unter der Annahme:

( ) ( )4

charged1012

2

4charged252

charged GeV 10GeV 20.0

GeV105 ∑∑ ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≈×≈ − EE

Eσ

( ) ( ) ( )GeV 100

GeV 6.0GeV11.0 jet2photon

22photons

EEE ≈⋅≈ ∑σ

( ) ( ) ( )GeV 100

GeV 3.1GeV40.0 jet2neut.had.

22neut.had.s

EEE ≈⋅≈ ∑σ

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