Der BaBar­DetektorReferat im Rahmen der Vorlesung

„Detektoren in der Elementarteilchenphysik“ 

Eike Middell

   

Inhalt

● physikalisches Programm● Aufbau des Detektors 

– Anforderungen an das Design– konkrete Umsetzung

● Trigger● Datenauswertung● Vergleich mit dem Konkurrenzexperiment Belle

   

● CP­Asymmetrie in Zerfällen der neutralen B­Mesonen

● Überprüfung der Unitarität der CKM­Matrix– sensitive Messung des CKM­Matrixelements– Messung von                 und 

● Vermessung seltener B­Zerfälle● Präzisionsmessung am Standardmodell

physikalisches Programm

V ub

sin 2 cos2

   

● CP vertauscht Teilchen und Antiteilchen und dreht Impuls und Helizität um → jede Kombination aus Feldern und Ableitungen im Lagrangian geht in ihre hermitesch konjugierte über

● Schwache WW: schwache EZ d',s',b' und Massen­EZ d,s,b sind nicht identisch sondern Mischung tritt auf

● Mischung beschrieben durch komplexe, unitäre CKM­Matrix (Cabibo­Kobayashi­Maskawa) 

CP­Asymmetrie

● CKM­Elemente → komplex konjugiert → sofern entstehende Phase nicht wegtransformierbar → CP­Verletzung 

   

● B0 und Anti­B0 zerfallen beide in Anti­D0 und K0­short

● Unterschiedliche Kopplung des W an Quark und Antiquark →unterschiedliche Lebensdauern

CP­Asymmetrie im B0AntiB0­System

   

Erzeugung der B­Mesonen

   

Zerfallskanäle des B0

● B0 kann in eine Vielzahl von Kanälen zerfallen● BR für Endzustände, die rekonstruierbar sind,sehr klein:

Bsp.:  B0   J/  →  + K0

B0   → +­ etwa 10­5

● wenn ~100 rekonstruierte Events für einen 10% Fehler reichen, dann müssen ~107 B­AntiB­Paare erzeugen

   

Anforderung an das Design

● e+e­­Collider an der (4s)­Resonanz 10.58GeV● Endzustände vollständig rekonstruierbar   Flavour­→

Tagging● geplante hohe Luminosität: ~3∙1033cm­2s­1

vgl.: LEP: 1.5∙1031cm­2s­1, LHC: ~1034cm­2s­1

● Zeitmessung des B0­Zerfalls   erfolgt über →Längenmessung der Spur

● Boost verlängert diese Spur   asymmetrisches Design→

   

Beispiel für Zerfall & Tagging

b c sB0

B0

K­

b c s K+ b c

lν

B0

+

b c

lν

B0

Kaonen:

Leptonen:

c s

lν

­aber:

D K  x0 ­cu 53 %

D K  x0d 24 %

K  x+   3 %c ­

K  x   6 %+

   

PEP­II● zwei Speicherringe:● HER: e­ mit 9 GeV● LER: e+ mit 3.1 GeV● 1658 Pakete● je 2.1∙1010 Elektronen● 4.2 ns Abstand

   

BaBarSilicon Vertex Tracker

(SVT)

Drift Chamber(DCH)

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

(DIRC)

Caesium­Iodide EM Calorimeter(EMC)

Instrumented Flux Return(IFR)

SupraleitendeSpule 1.5T

   

BaBar

   

Silicon Vertex Detector

● je 20 cm vom IP liegen Permanentdipolmagneten● Einschränkung des Polarwinkels 17.2°<<150°

   

Silicon Vertex Detector● 340 Si­Detektoren, ~1m2 Fläche, 150.000 Kanäle

● besteht aus 5 konzentrischen zylindrischen Lagen doppelseitiger Silizium­Detektoren

● jede Lage ist azimutal in Module unterteilt

● 3 innere Lagen : 6 Module ; barrel­structure

● 2 äußere Lagen: 16 &18 Module; gebogen

● jedes Modul unterteilt in Vorwärts­ und Rückwärtsmodul

   

Silicon Vertex Detector● a & b­Typen mit unterschiedlichen Radii 

ermöglicht Überlappung

● Innenseite hat Streifen senkrecht zur  Strahlachse   z­Messung→

● Außenseite hat Streifen parallel zur Strahlachse   → ­Messung

● Auslesen erfolgt außerhalb der aktiven Zone  Streifen über flexible Kabel mit AToM­→

Chip  verbunden

   

Silicon Vertex DetectorAToM­Chip 

(A Time over threshold Machine)

● 128 Kanäle pro Chip

● Prinzip: Zeitintervall bis Ladungsschwellenwert überschritten ist ist ungefähr log. abhängig von der Gesamtladung im Streifen

● Digitalisieriung der TOT­Zeit

● buffering während L1 läuft (12µs)

● log. schränkt Wertebereich ein   →weniger Bits

● frühe Dig. spart Geld,Strom,Platz

   

Silicon Vertex Detector

● z < 130 µm● Vertexauflösung < 80 µm● kann für sich allein auch Spuren mit geringem 

Transversalimpuls tracken

   

BaBarSilicon Vertex Tracker

(SVT)

Drift Chamber(DCH)

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

(DIRC)

Caesium­Iodide EM Calorimeter(EMC)

Instrumented Flux Return(IFR)

SupraleitendeSpule 1.5T

   

Drift Chamber

● Tracking, PID über dE/dx

● Driftzellen: 10 Superlayer je 4 Lagen40 Raumzeitpunkte pro Spur→

● sehr effizient für pT>100MeV/c

● Auflösung < 140 µm

● axiale (A) und Stereosuperlayer(U,V) alternieren

● Signaldrähte 1960V

● feldformende Drähte zwischen den SL 340 V

● Helium­Isobutan­Gemisch (80:20)

   

Drift Chamber● Strahlrohr und Innenwand der DCH aus Berillium (große Strahlungslänge)

● Endkappen aus Aluminium, Ausleseelektronik nur auf Rückseite

   

BaBarSilicon Vertex Tracker

(SVT)

Drift Chamber(DCH)

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

(DIRC)

Caesium­Iodide EM Calorimeter(EMC)

Instrumented Flux Return(IFR)

SupraleitendeSpule 1.5T

   

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

● PID, insbesondere Kaonen   Tagging→

● zu unterscheiden:B0   K +  → ­

B0     → ­+

● DCH leistet /K­Separation nur bis p=700MeV/c

● brauchen noch Bereich 0.7­4.2 GeV/c

● bevorzugt in Vorwärtsrichtung

● liegt zwischen DCH und EMC   dünn und gleichförmig (in X0)→

● je größer DCH+DIRC desto größer EMC   wird schnell teuer→

   

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

● Idee: leite Cherenkov­Licht in Lichtleitern aus dem Detektor zu PMTs

● 12 Radiatoren (8cm dicke Quartzstäbe) als Cherenkov­Medium & Lichtleiter

● totale innere Reflexion: winkelerhaltend

● in Vorwärtsrichtung: Spiegel

   

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

● am Ende leite das Licht über „wedge“ in einen Wassertank 

● wedge: reflektiert große Winkel in Richtung Strahlachse   spart PMTs→

● Wassertank: erlaubt Vergrößerung des Cherenkov­Rings

● Nachweis der Ch­Ringe mit etwa 11.000 PMTs auf einer torusförmigen Wand

● besonders effektiv für steile Winkel   mehr →Photonen im Radiator   passt gut zum →asymmetrischen Design

   

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

● /K­Separation besser als 2 für p > 0.7GeV/c

● jedoch auf die Spurrekonstruktion in der DCH angwiesen um den genauen Eintrittspunkt und ­winkel zu erhalten

● Vorwärtsrichtung bevorzugt

● Stand­Off Box gut hinter dem Detektor gelegen:

– stört Vorwärtsrichtung nicht

– PMTs müssen vom Magnetfeld abgeschirmt sein

   

BaBarSilicon Vertex Tracker

(SVT)

Drift Chamber(DCH)

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

(DIRC)

Caesium­Iodide EM Calorimeter(EMC)

Instrumented Flux Return(IFR)

SupraleitendeSpule 1.5T

   

Caesium­Iodide EM Calorimeter

● Szintillationskalorimeter aus 6580 CsI­Kristallen mit Thaliumiodid dotiert

● 16­17.5 Strahlungslängen dick

● Auslese mit je 2 unabhängigen 2cm2 Photodioden (PMT wegen B­Feld nicht möglich)

● Verstärkung kurz hinter dem Kristall   Führung der Leitungen an die →rückwärtige Platte   nochmal verstärkt und digitalisiert→

● min. detektierbare Energie: 10­20MeV

   

Caesium­Iodide EM Calorimeter

● Kalibration: wöchentlich um die sinkende Lichtausbeute durch Strahlungsschäden zu erkennen

● Ladungsinjektion in die Elektronik

● Lichtpulse

● rotierende Strahlungsquelle

● weitere Stützpunkte bei Datennahme (insb. Bhabha­Streuung)

   

BaBarSilicon Vertex Tracker

(SVT)

Drift Chamber(DCH)

Detector of Internally Reflected Cherenkov light

(DIRC)

Caesium­Iodide EM Calorimeter(EMC)

Instrumented Flux Return(IFR)

SupraleitendeSpule 1.5T

   

Instrumented Flux Return

● PID für Myonen und neutrale Hadronen

● besteht aus 900 Resistive Plate Chambers

● untergebracht zwischen den Eisenplatten, die den Flux Return für den Magneten bieten + zwei Endkappen

● mit zunehmendem radialen Abstand steigt der Abstand zwischen den RPC (Eisenplatten werden dicker)

– Grund: MC hat ergeben, Myonid. bei niedrigen p und K0L­Detektion 

verbessern sich wenn die Eisenschichten dünn

– nur für innere Bereiche wichtig; spätere Lagen können umso dicker sein  hält Anzahl Eisenplatten gering→

● inzwischen nicht mehr sehr Effizient   Proposal 2002 die RPCs durch →Limited Streamer Tubes zu ersetzen

   

Trigger

● Level 1 Hardware Trigger (12.8 µs um über Auslese zu entscheiden)

– Zerlegung des Detektorzustands in „Objekte“

– Reduktion auf 2 kHz● Level 3 Software Trigger (Online­Farm, selektiert Events)

– Reduktion auf 100Hz 

   

L1 Trigger● DCH track trigger (DCT)

– Aufteilung der DCH in 2/32 ­Bins

– Track Segment Finder

– Binary Link Tracker (identifiziert kurze(B) und lange (A) tracks)

– PT Discriminator (findet Tracks mit hohem pT)

● EMC energy trigger (EMT)

– teilt das EMT in 2/40 ­Bins

– M,G,E: cluster mit steigender Energie

– X: cluster in vorderer Endkappe

– Y: cluster im rückwärtigen Teil des barrels

   

L1 Trigger● IFR Myon Trigger (IFT)

– u.a. Veto gegen kosmische Strahlung● Global Trigger

– erhält die ­Karten mit Trigger­Objektenvon DCT und EMT

– zählt Objekte, einfache geom. Cuts (Rücken an Rücken...)

– Objektkombinationen werden mit vordefinierten Mustern verglichen

   

L3 Trigger

● 32 Sun Ultra 5 work stations

● einfacher 3d­track fit

● zusätzlich zu L1: Polarwinkel, Spurbeginn

● Filter um Ereignisse in Kategorien zu sortieren

– Energiesummen

– Clusteranzahl

– Ursprung der Spur im IP

– Bhabha­Filter um Ereignisse für die Kalibration zu sammeln

   

Auswertung / Tracking● findet in SVT und DCH statt

● Auffinden von geladenen Spuren startet in DCH

● Eventzeit von L3 muß verbessert werden  Parameterfit (d0, phi0, t0) an 4­→Hit­Spursegmenten in DCH­Superlayern

● diese Parameter+Hits des L3­Trackfits   Versuch eines  Helixfits    Spur → →wird behalten wenn der Fit erfolgreich ist

● haben nun „bessere“ Spur   Versuchen weitere Hits in ihrer Nähe mit ihr zu →assoziieren

● mehr Hits   mehr Zeitkoordinaten   Verfeinerung von t0→ →

● restliche nicht zugeordnete DCH­Hits: Versuch Tracks mit niedrigem pT zu bilden (durchdringen nicht alle 10 SL)

● danach:Kalman­Filter der die Materialverteilung der DCH und die Form des B­Feldes berücksichtig

   

Auswertung / Tracking● Projektion der gewonnenen Spuren in den SVT

● Streifenhits werden für Assoziierung in Erwägung gezogen, sofern deren Position in den Fehlergrenzen der Pro jektion liegt

● wenn verschiedene Zuordnungen möglich  → 2­Minimierung

● nach erfolgreicher Zuordnung   nochmaliger Kalman­Filter über alle Hits→

● häufig Streuung and der Supporttube   übrig gebliebene SVT­only­hits →werden mit DHC­only­hits assoziiert

– wenn anschließender Fit gelingt   verbinde beide Spuren→

– wenn nicht   behalte zwei separate Spuren→

● letzendlich: Einfluß der Teilchenart auf die SpurFit mit 5 Hypothesen für verschieden schwere, stabile Teilchen

   

Auswertung / Tracking

● langsame Teilchen (pT = 50­120 MeV/c) dringen nicht bis in DHC vor alleiniges Tracking in dem SVT→

● 2 Algorithmen

– versuche einfach die Positionen der Hits miteinander zu verbinden gut für wenig Hits und großen Parameterbereich→

– forme Kreisbahnen mit den ­Hits; nimm z­Hits dazu um Helices zu bilden

 kommt schlecht mit wilden Kombinationen und Moduldefekten klar→ Einsatz um die vom 1. Algorithmus übersehenen Spuren  zu finden  →

   

Vgl. Babar & Belle

● beides asymmetrische B­Fabriken an der (4s)­ResonanzBaBar Belle

E(e­) 9 GeV 8 GeVE(e+) 3.1 GeV 3.5 GeVLuminositätKoll.­Mitglieder 650 300Anfang der Datennahme 05/99? 06/99

4.513∙1033/cm²s 5.495∙1033/cm²s

   

Literatur

● P.F. Harrison, H.R. Quinn ­ The BaBar Physics Book● The first year of the BaBar Experiment experiment at PEP­II (hep­

ex/0012042)● Claudio Campagnari – The BaBar Silicon Vertex Tracker (SVT)

(http://hep.ucsb.edu/people/claudio/Vancouver.pdf)● N. Gunawardane ­ A measurement of neutral B meson mixing using 

dileption events with the BaBar Detector