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Detektor für TESLA
Markus Schumacher, Universität Bonn
• Anforderungen
• Konzepte
• Entwicklungen
Physikalische Fragestellungen
Präzisionsuntersuchungen
des Higgs-Sektors
des SUSY-Teilchen-Spektrums
der Struktur der Raum-Zeit
von „alternativen“ Theorien
des „bekannten“ Standardmodells
(speziell top-Quark und W-Boson)
•ZHH
Selektion von seltenen Prozessen (? = 0.3 fb für ZHH)
Genaue Rekonstruktion der Vierer-Impulse von
Leptonen, Photonen, Jets und Fehlender Energie
?Beschleuniger mit hoher Luminosität
?Detektor für Präzisionsmessungen
Der TESLA e+e--Linear-Beschleuniger
Schwerpunktsenergie
90 GeV bis 800++ GeV
Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s
950 µs 199 ms 950 µs
2820 bunches
Zeit zw. Kollisionen: 337 ns
Ereignisraten
Luminosität: 3.4x1034 cm-2 s-1 (6000xLEP)
e+e-? qq 330/h e+e-? WW 930/h
e+e-? tt 70/h e+e-? HX 17/h
e+e-? qq 0.1 /Train
e+e-? ??? X 200 /Train
„Untergrund“: 600 Treffer/BX im Vertexdet.
6 Spuren/BX in TPC
Weitere Optionen: ??, e?, e+e-, ep (THERA), eN
Anforderungen an den Detektor
? Präzisionsmessungen bei ECM von 90 bis 800 GeV
Impuls: ?(1/p) = 7 x 10-5/GeV (1/10 x LEP)
Stossparameter: ?d = 5 ? m ? 10 ? m/p(GeV) (1/ 3 x SLD)
Jetenergie : ?E/E = 0.3/E(GeV) (1/ 2 x LEP)
hermetisch bis zu: ??? ?5 mrad
komplexe Endzustände: 8 Jets oder mehr
höhere Spurdichten und höhere Energiedepositionen als bei LEP
? Zeitstruktur der Kollisionen und Untergrund von Beamstrahlung
Auslesegeschwindigkeit / Granularität
? Strahlenhärte (fast) kein Problem im Vergleich mit LHC
1. 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
Detektorkonzept
Spurdetektoren und
beide Kalorimeter
innerhalb der Spule
Magnetfeld 4 Tesla
Grosse gasgefüllte
zentrale Spurkammer
Präzisionsvertexdetektor
Kein „Hardware-Trigger“, daher keine Totzeit
kontinuierliche Datenauslese für einen „Bunch Train“ (1ms)
Nullunterdrückung, Treffererkennung, Digitalisierung
in FE-Elektronik
Beamstrahlung und Maske
6x1010 ?/BX 140000 e+e-/BX +
Sekundärteilchen (n,? )
? Unterdrückung benötigt
a) Photonen entlang Strahlröhre
b) Starkes Magnetfeld: meiste e+e-
kollimiert auf kleine Radien
c) Spezielle Abschirmung:
instrumentierte Maske
dennoch:
VTX1: 0.03 Treffer/mm2/BX
TPC: 6 Spuren, 1400 ?,1500n/BX
Kalorimeter: 1200 ???e+e-/BX
8000n/BX
E=12GeV/BX
Forschungs- und Entwicklungsarbeit F&E
Anforderungen verschieden zu LHC Detektoren
Grössere Granularität: el.-mag. Kalorimeter: 1/200 LHC
Vertexdetektor-Pixelgrösse:1/30 LHC
Dünnere Detektoren: Pixellagen: 1/30 x LHC
Spurdetektor: 1/6 x LHC
Höhere Auflösung: Spurauflösung bis 1/10 x LHC
Andere Technologien, da geringere Ereignisrate u. Strahlenbelastung
Aber oft profitieren von F&E für LHC (speziell Elektronik)
Anforderungen (fast) unabhängig von Beschleunigertechnologie:
supraleitend (TESLA) u. normalleitend (NLC,JLC)
? weltweite, gemeinsame F&E-Aktivitäten
F&E braucht Zeit ? Schon heute beginnen !
Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor
Macht Higgs Masse ? gHff~mf
Messung der Verzweigungsverhältnisse
H? bb,cc,gg mit ? O(%)
? Effiziente u. reine ID mittels
Sekundär-, Tertiärvertices mit
allen Spuren ? ? M, ?/? ? , Q
? d= a ? b/p
Präzise Messung des
Stossparameters do Ziel: ?? m ??? m
do .
b: 300 ? m „harmlos“
c??? 75 ? m „herausfordernd“
= 1 bis 2 GeV
Vertexdetektor: Konzept
Pixeldetektor mit 5 Lagen
kleiner R1: 15 mm (1/2 SLD)
Grösse: 20x20? m2, ? Punkt = 3 ? m
Dicke: 20? m=0.1 %X0/Lage
800 Millionen Auslesekanäle
Trefferdichte: 0.03 /mm2 /BX bei R=15mm
? Pixelsensoren
Auslese an beiden Leiterenden in Lage 1:
Taktfrequenz 50 MHz, 2500 Pixelreihen
? komplette Auslesezeit: 50? s ~ 150BX
Vertexdetektor: Technologieoptionen
Etablierte Technologieoption: CCDs
Exzellente Erfahrung von SLD (300 Millionen Kanäle)
F&E: Effizienz und Stabilität des Ladungstransports
Auslesegeschwindigkeit, dünne Sensoren,
mechanische Stabilität, Strahlenhärte
LCFI Kollaboration: Bristol, Glasgow, Lancaster,
Liverpool, Oxford, RAL Auslese
„Neue“ Technologien: MAPS (Monolithtic Activ Pixel Sensors) und
DEPFET (Depleted Field Effect Transistor)
jeder Pixel selektiv ansteuerbar
Steuerung
nur jeweils eine Zeile aktiv
? geringerer Leistungsverbrauch
erste Signalverarbeitung im Pixel
? geringeres Rauschen
intrinsisch strahlenhärter ???
Auslese Fragen wie oben + Herstellung +
Betrieb von grossen PixelmatrizenVertexdetektor: Technologieoptionen
Monolithtic Activ Pixel Sensors (IReS,LEPSI,RAL,Liverpoool,
Glasgow,Geneva,NIKHEF)
Standard CMOS-Technologie
Ladung aus „Epitaxial Layer“
diffundiert thermisch zum „N well“
Depleted Field Effect Transistor (Bonn, Mannheim, MPI HLL München)
source top gate drain bulk potential via axis
p+ n+ p+ n+
top-gate / rear contact
Ladung wird in der
p-channel
n
Potentialmulde
internal gate
- - +- (internes „Gate“)
gesammelt
-+ potential minimum
+
-+ totally depleted
n--substrate
for electrons
? Modulierung des
- p+
Transistorstroms
rear contact VVertexdetektor: Rekonstruktionsgüte
Erwartete Auflösung
in r,? und r,z M
? = 4.2 ? 4.0/p(GeV)? m
??? ?
c-Quark-ID:
Faktor 2 bis 3 besser als SLD
1.Lage bei 1.5 cm wichtig !!
•LEP-c Reinheit Effizienz
-
b/b: 80% 80%
-
c/c: 90% 35%Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte
Messung von H? xx
Mit Genauigkeit von
2.4 % für bb
8.3 % für cc
5.5 % für gg
Präzision erlaubt Diskriminierung
zwischen SM und MSSM bis
zu MA = 1 TeV auf 1? ? NiveauImpulsauflösung: Spurdetektoren
Schlüsselprozess
Unabhängig vom H Zerfall
Rückstossmasse zu ??:
? MH, ? ZH, gZZH, Spin
Winkelverteilung der ??:
e+e-? Z? ZH? ?? X ? Spin, CP,...
Präzise Messung der Lepton-Impulse
Ziel: ?M? ?Spurdetektorsystem im Überblick
Zentralbereich:
Pixelvertexdetektor (VTX)
Silizium-Streifendetektor (SIT)
Zeitprojektionskammer (TPC)
Vorwärtsbereich:
Räder in Silziumtechnologie (FTD)
Vorwärtsspurkammer (FCH)
(z.B. Strawtubes)
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 ?(1/p) < 7 x 10-5 /GeVGasgefüllter oder Silizium Spurdetektor?
gasgefüllt Silizium
Menschliches Auge bevorzugt „links“
für SpurerkennungWarum eine TPC ?
•Viele 3-dim. Spurpunkte ? robuste u. effiziente Spurerkennung
auch bei hoher Spurdichte
•Minimierung des Materials ? geringer Einfluss auf Kalorimetrie,
wenig Vielfachstreung
•Teilchenidentifikation durch Messung von dE/dx
•Spurnachweis bis zu grossen Radien (0.4 bis 1.6 m)
dE/dx: neue geladene stabile Erkennung von „Knickspuren“
langlebige Teilchen Smuon ? ? Muon + GravitinoDesign der TPC
Viele Spurpunkte: 240
Punktauflösung: ? = 150 ? m
Gr. Hebelarm: RI/A = 40/160 cm
Wenig Material : 3% X0
TPC: ?(1/p) = 2.0 x 10-4 GeV-1
+VTX: ?(1/p) = 0.7 x 10-4 GeV-1
+ SIT: ?(1/p) = 0.5 x 10-4 GeV-1
Auslesezeit 50 ? s = 160 BX
? ? 80000 Treffer in TPC
8x108 Auslesezellen (1.2MPads+20MHz)
? 0.1% aller Auslesezellen getroffen
Kein Problem für die SpurrekonstruktionTechnologien für Gasverstärkung
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
Alternativen: F&E für
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 EndkappenGEMS und MICROMEGAS
Lawine in GEM-Folie Lawine zwischen
Kaskadierung möglich Gitter und Pads
Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 %
F&E:
Zeitstabilität und Uniformität der Verstärkung im Magnetfeld,
Ionenrückfluss, Gating, Effekt von Raumladungen,
Gas, Padstrukturen, Dünne der Endplatten u. Elektronik?
Aachen, LBNL, Carleton, Montreal, Victoria, DESY/Hamburg, Karlsruhe, Krakau, MIT, MPI-München,
NIKHEF, Novosibirsk, Orsay, Saclay, RostockSpurdetektoren: Rekonstruktionsgüte ?(1/p) = 5 x 10-5/GeV bei 900 ,Spurrekonstruktion: ?=98.4% Auflösungen bei 7o: ? ? = 0.025 mrad , ?(1/p) = 3 x 10-4/GeV ~~ ?MH = 50 MeV, ?? ?? =0.03 ? ?? ? ???M/M = 0.3%
Jetenergieauflösung: Kalorimetrie
Ist elektroschwache Symmetrie spontan gebrochen?
Rekonstruktion des Higgs-Potenzials via
Messung von ? ?in ZHH ? qqbbbb
LEP-Detektor
LEP-Detektor:
?E/E = 0.6(1+|cos? Jet?)/? E(GeV )
Signifikanz = 3 UG
Signal
? Ziel: ?E/E = 0.3/? E(GeV)Partonimpulse: Kalorimetrie
•Detektor:
Spuren u. Energiedepositionen
•Energieflussalgorithmus:
4er-Impulse der Teilchen
•Bildung der Jets
= 4er-Impulse der Quarks
Kinematische Fits oft nicht
anwendbar wegen
Beamstrahlung, ISR und
fehlender Energie: ? , LSPs
? exzellente Kalorimetrie
ZHH? qqbbbbKalorimetrie: Jetenergieauflösung
EJET = 60% X+/- + 30% ? +10% n,K0
„Energiefluss“ Technik: Messung von
Geladene Teilchen in Spurkammer
Photonen im el.-mag. Kalorimeter
Rest (n,K0) im hadron. Kalorimeter
Idealfall: ?E/E = 0.15/? E (GeV)
für perfekte ID und kein Schauerüberlapp
Trennung und ID der einzelnen Teilchen:
HCAL
K,n •X0, Rmoliere klein: kompakte Schauer
? •X0 / ? had klein: Separation von el.-mag. und
hadronischen Schauern
e ? ? laterale u. longitudinale Segmentierung
ECAL ?
Granularität wichtiger als E-AuflösungKalorimeter: Konzept
ECAL: Silizium-Wolfram-Kalorimeter
Wolfram ideal: X0 /? had = 1/25, Rmoliere~9mm
Segmentierung: lateral 1cmx1cm
longitudinal: 40 Lagen
(24 X0, 0.9? had)
Auflösung: ?E/E =0.11/? E(GeV) ? 0.01
?? = 0.063/? E(GeV) ? 0.024mrad
I)Tile HCAL
Rostfreier Stahl + Szinitillator
Segmentierung: lateral 52 bis 252 cm2
longitudinal: 9 bis 12
HCAL 4.5 bis 6.2 ? had
II) Digitales HCAL
Rostfreier Stahl + Digitale Trefferauslese
ECAL via RPCs, Drahtkammern, GEMs,...
Segmentierung: lateral 1x1 cm2
longitudinal: wie bei TILE
Auflösung: ?E/E =0.4/? E(GeV) ? 0.05Kalorimeter: F&E
In internationaler CALICE Kollaboration (26 Inst., 9 Länder)
ECAL: Produktion und Qualitätskontrolle von W-Platten,
Design von Si-Sensoren, Ausleseelektronik u. Detektormechanik
HCAL: Optimierung der Zellgrössen, Mechanik
TILE: Signalausbeute (Lichtleiter, photosensitive Detektoren)
DIGITAL: Auslesetechnologie, -elektronik
Gemeinsames Auflösungsvermögen, Rekonstruktionsgüte
? Software-Entwicklung: Energieflussalgorithmen
? Teststrahluntersuchung mit kombinierten ECAL+HCAL-Modulen
hermetisch bis zu 5 mrad:
Low Angle Tagger (LAT): 83 bis 27 mrad
Silizium-Wolfram (Si-W)
Lumi. Kalorimeter (LCAL): 28 bis 5 mrad
Diamant-W, Si-W, PbWO-Kristalle
Strahlenbelastung: 2 MGy pro Jahr
F&E: Cracow,Tel Aviv, Minsk, Prag,Colorado, Protvino,UCL London,
Dubna, DESYKalorimeter: Rekonstruktionsgüte
Granularität des ECAL: OPAL
?? = 68mrad/? E(GeV) ? 8mrad
ohne Vertexeinschränkung
z.B.: Neutralino? Gravitino+Photon
Photonstossparameter ? d?~1cm
Jetenergie:?E/E = 0.3/? E (GeV)
Signifikanz
Sig./? UG=6
???? ?= 22%
ZHH? qq bb bb Dist=((MH- M12)2+ (Mz- M34)2 + (MH- M56)2)1/2Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte
Falls kein Higgs:
Enträtselung der elektro-schwachen
Symmetriebrechung mittels
Messung von
?
e+e-? ??WW(ZZ)? ?? qqqq
Bestimmung der ?E/E = 0.3/? E ?E/E = 0.6/? E
beiden Dijetmassen:
Unterscheidung
WW und ZZZusammenfassung Präzisionsphysik bestimmt das Detektordesign Anforderungen „anders“ als bei LHC (und LEP) Jetzt F&E für neue Technologien Das Physikpotenzial bei TESLA ist herausragend, die Anforderungen an den Detektor herausfordernd
Parallelvorträge zu Detektor F&E: Vertexdetektor: 103.2, 103.7, 106.5, 403.4, 603.6, 603.8 TPC: 107.1, 205.6, 407.1 bis 7 Kalorimeter: 607.1, 607.2 ??-Option:107.6, 107.7 Weitere Informationen unter: http://www.desy.de/~schreibr/ecfa/detector-RandD.html http://www.desy.de/~lcnotes http://tesla.desy.de/new_pages/TDR_CD/start.html Ein herzliches „Danke schön“ an: Andreas Ludwig, Karsten Büsser, Dean Carlen, Klaus Desch, Rolf Heuer, Thorsten Kuhl, Christoph Rembser, Marcel Trimpl, Norbert Wermes und viele andere aus dem ECFA LC-Workshop
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