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B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 1
Kalorimeter 2
Benno ListBenno List
Universität HamburgUniversität Hamburg
Vorlesung “Detektoren für die Teilchenphysik”Vorlesung “Detektoren für die Teilchenphysik”
Teil 10: Kalorimeter 2Teil 10: Kalorimeter 27.1.20087.1.2008
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 2
Literaturhinweise, Quellen
Bücher– T. Ferbel: Experimental techniques in high-energy nuclear and particle physics (2nd
ed.), Singapore (World Scientific) 1991.– C. Grupen: Teilchendetektoren, Mannheim (BI-Wiss.-Ver.) 1993.– K. Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung (4. Aufl.), Wiesbaden (Teubner) 2005.
Übersichtsartikel:– C. Leroy and P. Rancoita: Physics of cascading shower generation and propagation in
matter: Principles of high-energy, ultrahigh-energy and compensating calorimetry, Rept. Prog. Phys. 63 (2000) 505.
– K. Kleinknecht: Particle Detectors, Phys. Rept. 84 (1982) 85. – Review of Particle Properties: Artikel “Passage of particles through matter” und “Particle
detectors”, siehe http://pdg.web.cern.ch/pdg/
Vorlesungen:– M. Krammer: Detektoren, VL SS 07,
http://wwwhephy.oeaw.ac.at/p3w/halbleiter/VOTeilchendetektoren.html.– G. Steinbrück: Detektoren in der Teilchenphysik, Uni Hamburg, WS 06/07.
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 3
Inhalt
Letztes Jahr:● Einführung● Elektromagnetische Kalorimeter:
– Elektromagnetische Schauer– Bauformen– Energieauflösung– Beispiele
Heute:● Hadronische Kalorimeter
– Hadronische Schauer– Kompensierende Kalorimeter– Beispiele: CMS und ATLAS
● Neues Konzept: Particle Flow
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Einführung
Wozu braucht man Kalorimeter?● Schwierigkeit der Impulsmessung bei hochenergetischen Teilchen,
Probleme wg. Bremsstrahlungsverlusten bei Elektronen● Messung neutraler Teilchen● Elektromagnetische Kalorimeter messen:
– Elektronen– Photonen– π0 (->γγ)
● Situation bei Hadronen etwas anders:– Energieauflösung schlechter (>35%/√E statt 10%/√E)
=> Kalorimeter erst bei hohen Impulsen besser als Tracker
– Langlebige neutrale Hadronen relativ selten: Neutron, KL0
– => Solange gutes Tracking von p/π+/K+ möglich ist und bei Impulsen <30GeV sind hadronische Kalorimeter verzichtbar => z.B. bei LEP (e+e-)
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Wann braucht man hadronische Kalorimeter?
Ein Hadron kommt selten allein (Ausnahme: τ+->π+ντ):Hadronen treten i.d.R. in Jets auf
● Jets haben typ. einen Radius von ~0.5 in η/φ(Pseudorapidität η = -ln [tan θ/2]):η = 0, 1, 2, 3, 4 <=> θ = 90˚, 40˚, 15˚, 5.7˚, 2.1˚
● Bei Hadron-Collidern: Jets gleichmäßig verteilt in η=> viele Jets bei kleinen Winkeln
● Gutes Tracking unterhalb von θ = 15˚ (η = 2) sehr schwierig!● Relevante max. Jet-Energien (Größenordnung):
ca. 100GeV (LEP), 300GeV (HERA,Tevatron), 2TeV (LHC)
=> Hadron-Kalorimeter sind notwendig● bei großen Jet-Energien (>100GeV)● für eine gute Jetmessung bei |η| > 2
(bei LHC: Abdeckung bis |η| < 5 nötig für Transversalimpulsbilanz!)
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Wechselwirkung von Hadronen mit Materie
● Bremsstrahlung: proportional zu γ4 = (E/m)4 => schon für Pionen vernachlässigbar
● Energieverlust durch Ionisation und hadronische Wechselwirkung● Starke WW: Kurzreichweitig, sehr stark
=> Nukleonen sind “schwarze Scheiben”,Wirkungsquerschnitt ~ geometrischer Querschnitt
● Kern: Radius ~ A1/3 => Fläche ~ A2/3 ● => Mittlere freie Weglänge (Absorbtionslänge)
λa = 1 / (n A2/3 σN,tot) = A / (NA ρ A2/3 σN,tot) = A1/3 / (NA ρ σN,tot)(NA = 6.022·1023 Avogadro-Zahl, n = NA ρ/A: Dichte der Atome,σN,tot : Wirkungsquerschnitt für ein Nukleon)
● Mittlere Weglänge zwischen zwei inelastischen Reaktionen:λint = A1/3 / (NA ρ σN,inel) ≈ 35g/cm2 · A1/3 / ρ mit σN,inel ≈ 47mb
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 7
Hadronische Wechselwirkungen
● Hochenergetisches Hadron wechselwirkt mit quasi-freiem Nukleon im Kern -> hochenergetische Sekundärteilchen (vor allem π±, π0->γγ, η->γγ, K± etc)
● Sekundärteilchen wechselwirken z.T. nochmals im Kern=> intranukleare Kaskade
● Kernnukleonen erhalten Energie, werden abgedampft● Angeregter Kern regt sich ab: γ-Emission, p/n-Emission,
u.U. Kernspaltung (in Uran!) => Kernfragmente, schnelle Neutronen
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Hadronische Wechselwirkungen 2
● Detailliertes Verständnis hadronischer Schauer erfordert Verständnis von– Wechselwirkung freier Hadronen– Einfluß der Kernmaterie auf intranukleare Kaskade– Verständnis der Kernreaktionen– Verständnis des Vrhaltens von Neutronen in Materie
=> Detaillierte Simulation von Neutronen in Uran: wichtig für Kernwaffen=> Verwendung der Simulationsprogramme wird z.T. kontrolliert (FLUKA)
● Populäre Simulationsprogramme:– FLUKA (www.fluka.org)– GHEISHA– CALOR
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Spallation
● Spallation (engl. to spall: abspalten):Kernumwandlung durch hochenergetisches Hadron,Emission von hochenergetischen Sekundärteilchen(Protonen, Neutronen, Alphas, Mesonen)
● Spallation ist der wahrscheinlichste Prozess für primäre Hadron-Kern-Wechselwirkung
● Kern bleibt in angeregtem Zustand zurück
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Kernanregung
● Angregter Kern strahlt zunächst Protonen und Neutronen ab, bis Restenergie geringer als Bindungsenergie der Nukleonen ist
● Restliche Abregung durch Gamma-Strahlung● Zeitskala: Typ. 10-18 s (bis Großteil der Energie abgestrahlt ist)● Dieser Prozess “verschluckt” Energie: Freisetzung von Nukleonen
kostet Bindungsenergie => unsichtbare Energie
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Kernspaltung (Fission)
● Bei schwerenElementen, spez. Uran, kann der angeregte Kern in zwei (selten drei) große Bruchstücke spalten
● Führt zu Energiefreisetzung (d.h. Teil der verlorenen Energie wird zurückgewonnen), und erzeugt sekundäre Neutronen
● Neutronen können in Uran Spaltung induzieren=> Neutronenenergie teilweise “sichtbar”
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 12
“π0-Fluktuationen”: El.-mag. Teilkaskaden
● π0- und η-Mesonen zerfallen sofort in γγ=> erzeugen elektromagnetische (Teil)kaskaden
● Elektromagnetischer Schauer ist viel kompakter als rein hadronischer Schauer, gesamte Energie sichtbar
● Anteil fem der Energie elektromagnetischer Teilschaueran der Gesamtenergie:– Mittelwert hängt von der Energie des Primärhadrons ab:
– Fluktuiert sehr stark, Fluktuationen dominiert durch erste Wechselwirkung● Unterschiedliche Signalhöhen für hadronischen und
elektromagnetischen Teil des Schauers führen zu:– verschlechterter Auflösung– Nichtlinarität
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 13
Aufteilung der Energie
● Großer Anteil unsichtbarer Energie (32-45%)● Großer Anteil von Energie durch schwere, stark ionisierende
Protonen und Kernbruchstücke (38-56%)● Erheblicher Anteil von Neutronen (8-15%)
Tab. 11 aus Leroy&Rancoita 2000, p. 561
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 14
Schauerausdehnung
● Maximum (E in GeV)tmax [λI] = 0.2 ln (E) + 0.7
● 95% (99%) der Energie eines 100GeV-Hadrons in ca. 7.4 (10) λI
● Lateral: Ca. 95% der Energie in Radius von 1λI
Aus Rev.Part.Prop. 2006
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 15
Hadronische und elektromagnetische Schauer
Hadronisch ElektromagnetischGroße freie Weglänge Kleine freie Weglänge
Großer Anteil unsichtbarer Energie Keine unsichtbare Energie
Großen Anzahl von Sekundärteilchen pro Wechselwirkung
Zwei Sekundärteilchen pro Wechselwirkung
Viele verschiedene Sekundärteilchen: Kerne, p, n, γ, π±, π0->γγ
Zwei Arten von Sekundärteilchen: e±, γ
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 16
Materialien
Tab. 12 aus Leroy&Rancoita 2000, p. 562.
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Sampling Fractions
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 18
Sampling Fractions 2
● Sampling Fractions realer Teilchen (e, γ, μ, π±, p)werden zurückgeführt auf sampling fractions gedachter Teilchen:– mip: Minimalionisierendes Teilchen, Energieverlust nur durch Ionisation– e: Elektron/Positron => rein elektromagnetischer Schauer– h: “Hadron”, hadronischer Schauer ohne elektromagnetische Komponente
● Z.B.: π = fem ·e + (1-fem)·h
● Signalhöhe ist proportional zur sampling fraction● Meist werden Verhältnisse von sampling fractions betrachtet:
– Direkt messbar: e/π, π/p– Theoretische Verhältnisse: e/mip, μ/mip, h/mip, e/h
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e/mip-Verhältnis
e/mip
e/mip
1.0
1.0
0 0.4
0.8
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e/π-Verhältnis
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Kompensation
● Kompensation: Gleiches Signal von em und had. Schauern:
e/π = 1● Wegen π(E) = fem ·e + (1-fem)·h folgt:
h/mip = e/mip
Wege zur Kompensation:● Verringere e/mip: Nutze Übergangseffekt:
große Schichtdicken, Absorber mit großem Z, Aktives medium mit geringem Z (Uran/Szintillator besser als Blei/LAr)
● Erhöhe h/mip: Beträchtliche Verluste aufgrund unsichtbarer Energie (fbind)=> erhöhe Signal für sichtbare Kompoinenten, speziell Neutronen
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 22
Neutronen
● Neutronen wechselwirken auf verschiedene Arten mit Materie:– elastische Streuung A (n, n) A
=> wichtig: elastische Streuung an Wasserstoff (Protonen):im Mittel wird 50% der Energie auf Proton übertragen! => Nachweisbei schwereren Kernen sehr viel weniger!
– inelastische Streuung – Neutroneneinfang A (n, γ) A' => erzeugt Gammastrahlung => Nachweis– Reaktionen mit Abstrahlung geladener Teilchen (n, p), (n, d), (n, α) ...– Kernspaltung (Uran!) => Vermehrung der Neutronen
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 23
Neutronen 2
● Für Neutronennachweis:Verwende Wasserstoffreiches Nachweismedium:Szintillator
● Stöße der Neutronen an Wasserstoff erzeugen hochenergetische Protonen => Ionisation => Nachweis
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 24
Wege zur Kompensation
● Absorber mit hohem Z und aktives Material mit geringem Z:Verringert e/mip durch Migrationseffekt
● Verwendung von Uran als Absorber:Kernspaltung verstärkt hadronische Komponente, mehr Neutronen
● Aktives Material mit viel Wasserstoff (Szintillator):Guter Nachweis der Neutronen
● Dicken von aktivem Material und Absorber müssen genau aufeinander abgestimmt sein!I.a. relativ geringer Bruchteil an aktivem Material
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 25
Vorteile der Kompensation
● Signalhöhe ist proportional zur Teilchenenergie● Auflösung σ(E)/E verbessert sich wie 1/√E● Signal ist gaussförmig● Insgesamt: Bestmögliche hadronische Auflösung
Erreichbar: 35%/√E (Uran-Szintillator)
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 26
Kompensation bei ZEUS
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 27
Kompensation bei ZEUS 2
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Konsequenzen von Kompensation
● Intrinsische Kompensation benötigt i.A.:– Möglichst keine Unterschiede zwischen elektromagnetischem und
hadronischem Teil des Kalorimeters (d.h., selbes Absorbermaterial, selbe Sampling-Fraction)
– Aktives Material mit hohem Wasserstoffanteil: Szintillator, LAr plus G10 (Kunststoffplatten)
– Kleine Sampling-Fraction– Absorbermaterial Blei oder Uran
● (Negative) Konsequenzen:– Kompromittierung der Messung von Elektronen und Photonen:
Geringe Sampling Fraction führt zu großen Sampling-Fluktuationen,typ: σ(E)/E = 17%/√E
– (Sehr) feine Segmentierung bei Szintillatoren i.A. teuer im Vergleich zu Lar– Hohes Z des Absorbers -> hoher Energieverlust/Coulomb-Streuung für Myonen– Bei Uran als Absorber: Rauschen durch Radioaktivität,
Problematisch im Umgang
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Alternativen zur (Hardware-) Kompensation
● Nichtkompensierende Kalorimeter: Elektromagnetische (Teil)schauer erzeugen größeres Signal alshadronische Schauerkomponente
● Nutze unterschiedliche Eigenschaften von hadronischen und elektromagnetischen Schauern für Korrektur:– Elektromagnetische Schauer sind kompakt:
Gesamte Energie wird in ca. 25X0 deponiert, entspricht typ. 1λabs => Wichte Bereiche hoher Energiedichte herab (sotware weighting)
– Elektromagnetische Schauer sind reich an hochrelativistischen Elektronen:=> Čerenkov-Strahlung=> Dual readout: Sinzillatoren und Čerenkov-Detektoren:elektromagnetische Komponente wird direkt gemessen!
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 30
Software-Kompensation
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 31
Software-Kompensation 2
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 32
Hadron-Kalorimeter von CMS
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 33
Hadron-Kalorimeter von CMS 2
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 34
Hadron-Kalorimeter von CMS 3
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 35
Hadron-Kalorimeter von CMS 4
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 36
Hadron-Kalorimeter von ATLAS 1
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 37
Hadron-Kalorimeter von ATLAS 2
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 38
Neues Konzept: Energy Flow
● Für Physik-Performance wichtig:Gute Messung von Jet-Energien und -Richtungen
● Messung sehr hochenergetischer, einzelner Hadronen ist nicht unbedingt ausreichend:– Magnetfeld verschiebt Auftreffpunkt geladener Hadronen im Kalorimeter– Nieder- und mittelenergetische (geladene) Hadronen werden vom Tracker
besser gemessen● Ziel: Führe Informationen von Tracker, elektromagnetischem und
hadronischen Kalorimeter zusammen● Dafür notwendig: Verfolgung der Energiedeposition von Elektronen,
Gammas, Pionen etc. in das und im Kalorimeter ● Weiterentwicklung der bei LEP benutzten Verfahren
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 39
Energy Flow am ILC
● ILC: International Linear Collider (geplant), e+e-, 500-800GeV● Betrachte ZZ->4j, WW->4j: Ziel: Trennung beider Prozesse,
wichtig für Präzisionsphysik● Benötigt σ(Ejet)/Ejet = 30%/√Ejet
=> selbst mit kompensierendem Kalorimeter kaum (nicht) erreichbar!
http
://l
lr.in
2p3.
fr/a
ctiv
ites/
phys
ique
/flc
/just
if/ju
stif
-gra
nul.h
tml
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 40
Simulation
from: http://llr.in2p3.fr/activites/physique/flc/justif/justif-granul.html
MC-Wahrheit Rekonstruktion
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 41
Detektoranforderungen für Energy Flow
● Großes Magnetfeldund großer Tracker-> weite Auffächerung der Jets
● Sehr fein segmentiertes Kalorimeter (transversal undlongitudinal!):ca. 43-48 Lagen im had. Kalorimeter!
● Konzept:– em Kalo aus Wolfram+Silizium– had. Kalo aus Eisen und
Szintillatoren mit neuen,sehr kleinen Photodetektoren:Silicon-PMs
● Entwicklung hier am DESY!from: http://www.hep.phy.cam.ac.uk/~thomson/pandoraPFA/tt_3x3HCAL.gif
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 42
Simulationsstudien
Mark Thompson: Particle Flow Calorimetry. Talk at EPS 2007http://agenda.hep.man.ac.uk/materialDisplay.py?contribId=397&sessionId=2&materialId=slides&confId=70
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 43
Reserve
B. List 7.1.2008 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Kalorimeter 2 Seite 44
Hohes oder Mittleres Z?
Vorteile von hohem Z:● Geringe Strahlungslänge X0 in g/cm2:
geringes Gesamtgewicht des Kalorimeters● Geringe Strahlungslänge X0 in cm:
kompaktes Kalorimeter● Kleiner Molièreradius RM:
Gute Ortsauflösung, Trennung einzelner Teilchen
Vorteile von mittlerem Z:● Z passt i.a. besser zum Z des aktiven Mediums
=> größeres e/mip-Verhältnis (später)● Kleineres Verhältnis X0 / λInt ~ A2/3 / Z2:
Hadronen werden im Vergleich zu Myonen besser gestoppt=> Besserer Myon-Nachweis