HERA-B

Großexperiment am HERA-Protonenring des DESY Hamburg

Vortrag von Daniel Richter, 23.06.06

Gliederung

Überblick Physikalische Motivation Detektoraufbau & Komponenten Triggersystem Probleme

Überblick

Was ist HERA-B ? Fixed-Target-Spektrometer am HERA-Ring des DESY

Hamburg Int. Kollaboration aus 32 Instituten aus 13 Ländern Draht-Targets im Halo des Protonstrahls,

Strahlenergie: 920 GeV, -Resonanz, 10.4 MHz Abmessungen: 8m x 20m x 9m, Gewicht: ca. 1000 T Proposal 1994, Datennahme 1999-2003 Datenauswertung noch nicht abgeschlossen

Überblick

Hauptziel: Messung der CP-Verletzung im SM Weitere Forschungsgebiete von HERA-B:

Messungen des Wirkungsquerschnitts für

Prod.

Charmonium Produktion, Quark-Gluon-Plasma,

Absorption in Kernmaterie,

Hadronisation, gebundene Zustände von Quarks

Pentaquarks

Überblick

Herausforderungen: Kein Vorbilddetektor vorhanden

Hohe Teilchenflüsse und Ereignisraten,

damit hohe Strahlenbelastung der Detektorkomp.

Hoher Untergrund, effizientes neuartiges

Triggerverfahren notw.

Neue Detektortechnologien

Pionierarbeit und Technologietransfer für LHC

Physikalische Motivation

CP-Verletzung der Schwachen WW Untersuchung an B-Mesonen

„Goldener Zerfallskanal“

klare Signatur

Physikalische Motivation

Asymmetrie in Zerfällen:

B-Mesonen entstehen paarweise durch

(i)

(ii)

erlaubt Flavour-Tagging für neutrale B-Mesonen

Physikalische Motivation

Detektoraufbau & Komponenten

Target

8 Drähte auf 2 Stationen, Vakuum Bewegliche Gabeln, schnelle individuelle

Anpassung an Protonstrahl, 10Hz, Materialien: C, Ti, Al, W, Pd 1 oder mehrere Drähte gleichzeitig nutzbar Ladungsintegrierer für gleichmäßige Verteilung Szintillatoren überwachen WW-Rate Luminosität fast beliebig justierbar

Target

Target

Si-Vertex-Detektor (SVD)

Aufgabe: Rekonstruktion von Sekundärvertizes, Tracking in der Nähe des WW-Punkts

64 doppelseitige Si-Strip-Module in 8 Superlagen, 7 in Vakuumtank+Justiervorrichtung

Lebensdauer 1 Jahr für WW-Rate von 40 MHz Stereowinkel zu x,y-Achse von 50x70 mm² sensitive Fläche je Modul,

Auflösung:

Si-Vertex-Detektor (SVD)

Si-Vertex-Detektor

Trackingsystem (ITR & OTR)

2 unterschiedliche Technologien ITR: MSGCs + GEM (Gas Electron Multiplier)

OTR: Honeycomb Drift Chambers

Normalleitender Magnet Feldstärke: 0.8 T, 1 MW Leistung

Magnetfeld entlang y-Richtung, einige der

Spurkammern im Magnetvolumen angebracht

Trackingsystem (ITR & OTR)

Inner Tracker (ITR): 184 MSGCs mit insges. 18 m² Detektorfläche,

140.000 Auslesekanäle,10000 Triggerkanäle 6-25 cm Abstand von Beampipe, hoher Teilchenfluss

Dosis: 1 Mrad/Jahr, Teilchenraten bis zu MIP/s/mm² 10 Stationen, 4 Kammern = 1 Layer, Doppellagen Stereowinkel Material: Glassubstrat mit Goldstrips,

Trackingsystem (ITR & OTR)

Kammergas: 70% Ar, 30% CO2

Gasverstärkung: (10-100)[GEM] x (200-1000)[Strips]

Trackingsystem (ITR & OTR)

Trackingsystem (ITR & OTR)

Outer Tracking (OTR): 20 cm - 6 m Abstand vom Strahl, akt. Fläche 1000 m²

Module ebenfalls unter Stereowinkeln

Ar-CF4- CO2 Gemisch (65:30:5)

in drei Bereiche unterteilt: (i) vor und innerhalb des Magneten (ii) Pattern-Recog.-Area nach dem

Magneten (iii) Triggerarea zwischen RICH und ECAL

Trackingsystem (ITR & OTR)

2 verschiedene Kammerdurchmesser (5/10 mm) in

Abh. vom Teilchenfluss (ca. 30 MHz/R²)

Trackingsystem (ITR & OTR)

Cherenkov Detektor (RICH)

Ring Imaging CHerenkov Counter Primäraufgabe: Identifikation von Hadronen (insbes.

Kaonen als Flavour-Tag, Pionen)

108 m³ Radiatorgas (C4F10), kontinuierl. Gasreinigung

Sphärischer Spiegel: R=11.4 m (center@Target), gesplittet u. horizontal um

9° gekippt 80 Hexagons, indiv. justierbar Al- und MgF2 beschichtet

Cherenkov Detektor (RICH)

2 ebene Spiegel mit je 18 Elementen

Hoher Teilchenfluss (O(1) MHz/cm²)

2250 Photomultiplier mit 4 und 16 Anoden +

vorgelagerte Optiken (red. Pixelgröße), 300-480 nm

23808 9x9 mm² Pixel, 3008 18x18 mm² Pixel

RICH auch als Tracker nutzbar Ring-Search-Alg. Flugrichtung Vgl. mit SVD + Bahnkrümmung im B-Feld, ECAL

Cherenkov Detektor (RICH)

Kalorimeter (ECAL)

2344 Module vom Shashlik-Typ, ca. 6000 Kanäle Szintillator/Absorber-Sandwich-Struktur Plastik Wellenlängenschieber („Shashlik“) und PMs 11.15 x 11.15 cm²

Variable Granularität: 25, 4, 1 Zelle(n)/Modul

Schauermaterialien: W-Ni-Fe und Blei (mitte u außen)

20-23 Strahlungslängen tief

Ca. 4,7 m x 6,2 m aktive Fläche

Auflösung: (0.65+3.5/p) mrad „single Photon“

Kalorimeter (ECAL)

Auflösung:

Kalorimeter (ECAL)

Myon-System

Hauptaufgaben: Pretriggersignal für FLT Myonen v. Hadronen separieren

Myon-Filter + 4 Superlayer Myon Kammern

Filter: 3 Layer Eisen und Beton Abschirmung

Muon-Layer 1 & 2: 3 Layer Tube/Pad-Chambers mit 1 Layer Gas-Pixel-Chambers (innen)

Myon-System

Myon-Layer 3 & 4: 1 Layer Tube/Pad-Chambers, 1 Layer Gas-Pixel-D. Pretrigger, FLT & off Line Analysis

Myon-System

Für Akzeptanz von bei Bestimmung von

O(1000) rekonstr. B-Zerfälle benötigt

O(1015) Kollisionen mit mehreren WW pro Bunch-crossing, ca. 40 MHz (10.4 MHz HERA + 4 WW je Bunch-crossing)

O(150-200) Teilchen pro bunch-crossing alle 96 ns

HERA-B Triggersystem

Selten!

HERA-B Triggersystem

HERA-B Triggersystem

Effizientes und schnelles Triggersystem

Pretrigger: definiert Trackkandidaten für FLT (Leptonpaare)

2 unabhängige Pretrigger: ECAL und Myon-S. ECAL: deponierte Energie Elektron-Kandidat

Myon: koinzidente Hits Myon-Kandidat

Pretrigger übergibt Kandidaten an FLT

HERA-B Triggersystem

First-Level-Trigger: Startpunkt an Pretrigger-Punkten, TFU‘s bestimmen

RoI‘s, Kalman Filter

TFU‘s suchen in Teilen des Tracking-S. bis Magnet

Falls überall Hits Übergabe an TPU, diese

bestimmt: Teilchenart, Ladung, Impuls (Look-Up-

Tables)

TDU bestimmt invariante Masse, kombiniert Spuren

Masse ausreichend für Daten an SLB

HERA-B Triggersystem

HERA-B Triggersystem

Second-Level-Trigger: „Refining“ der Spuren

verw. mehr Detektorinformationen aus dem SLB

alle Layer des Trackingsystems + SVD

Untersuchung auf Sekundärvertex (große

Unterdrückung direkter )

HERA-B Triggersystem

3. & 4. Trigger-Level: Verwendet alle Detektordaten, Spurfit

Alle Spuren des Events rekonstruiert und analysiert

Liefert Daten zur Detektorkalibration, „Monitoring“

Rekonstruierte c- und b-Hadronen (4thLT)

Tagging (4thLT)

Probleme bei HERA-B

Probleme bei HERA-B

MSGCs: 1994 konventionelle MSGC instabil unter intensiver

Bestrahlung 1995 „diamond-like-coating“

verbessert Oberflächenwiderstand

1996 induz. Durchschläge beobachtet unter Hadr.

Bestrahlung (nur 1/3 HERA-B)

1997 GEM & two-step Gasverst.

1998 erneute Durchschläge an GEM andere

Feldgeometrie

Probleme bei HERA-B

1998 massive Probleme mit Gasalterung an

Serienmodell Ar/DME ersetzt durch Ar/CO2

Honeycomb-Chambers: „Malter currents“ Beschichtung

Anodenalterung nach Bestr. CH4 CO2

„Support–Strips“ werden leitend in Gegenwart von H2O

Kontrolle des Wassergehalts

Serienproduktion um 1.5 a verzögert!

Probleme bei HERA-B

Umorientierung: Probleme führen zu Verzögerungen

andere Experimente (SLAC, KEK) kommen schneller

voran, e+/e- Kollider, „B-Fabriken“

2000 Hauptziel CP aufgegeben

Verändertes Programm bietet völlig neue

Möglichkeiten (QCD, Quark-Gluon-Plasma etc.)

Hauptziel zwar verfehlt aber Pionierarbeit für

kommende Experimente mit ähnl. Anf., LHC