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eckhardt-lautenbach
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Detektor für TESLAMarkus Schumacher, Universität Bonn
• Anforderungen
• Konzepte
• Entwicklungen
Physikalische Fragestellungen
Beschleuniger mit hoher Luminosität
Detektor für Präzisionsmessungen
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
Der TESLA e+e--Linear-Beschleuniger
Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s
Zeit zw. Kollisionen: 337 ns
EreignisratenLuminosität: 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 /Traine+e-X 200 /Train
„Untergrund“: 600 Treffer/BX im Vertexdet. 6 Spuren/BX in TPC
Weitere Optionen: , e, e+e-, ep (THERA), eN
Schwerpunktsenergie 90 GeV bis 800++ GeV
950 µs 199 ms 950 µs
2820 bunches
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
Kein „Hardware-Trigger“, daher keine Totzeit kontinuierliche Datenauslese für einen „Bunch Train“ (1ms)
Nullunterdrückung, Treffererkennung, Digitalisierung in FE-Elektronik
Spurdetektoren und beide Kalorimeter innerhalb der Spule
Magnetfeld 4 Tesla
Grosse gasgefüllte zentrale Spurkammer
Präzisionsvertexdetektor
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 Hbb,cc,gg mit O(%)
Effiziente u. reine ID mittels
Sekundär-, Tertiärvertices mit allen Spuren M, /, Q
Präzise Messung des Stossparameters do
do
b: 300 m „harmlos“ c 75 m „herausfordernd“<p> = 1 bis 2 GeV
d= a b/p
Ziel: m m
.
Vertexdetektor: Konzept
Pixeldetektor mit 5 Lagen
kleiner R1: 15 mm (1/2 SLD)
Grösse: 20x20m2, Punkt = 3 m
Dicke: 20m=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: 50s ~ 150BX
<1% aller Pixel mit Treffer Kein Problem für Spurerkennung erwartet
Vertexdetektor: TechnologieoptionenEtablierte 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
„Neue“ Technologien: MAPS (Monolithtic Activ Pixel Sensors) und DEPFET (Depleted Field Effect Transistor)
jeder Pixel selektiv ansteuerbar
nur jeweils eine Zeile aktiv geringerer Leistungsverbrauch
erste Signalverarbeitung im Pixel geringeres Rauschen
intrinsisch strahlenhärter ???
Fragen wie oben + Herstellung + Betrieb von grossen Pixelmatrizen
Ste
ueru
ng
Auslese
Auslese
Vertexdetektor: TechnologieoptionenMonolithtic Activ Pixel Sensors (IReS,LEPSI,RAL,Liverpoool,
Glasgow,Geneva,NIKHEF)
Depleted Field Effect Transistor (Bonn, Mannheim, MPI HLL München)
Standard CMOS-Technologie
Ladung aus „Epitaxial Layer“
diffundiert thermisch zum „N well“
Ladung 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-channel
p+
--
- -++
++
--
Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte
Erwartete Auflösung in r,und r,z
= 4.2 4.0/p(GeV)m
M
c-Quark-ID: Faktor 2 bis 3 besser als SLD
1.Lage bei 1.5 cm wichtig !! Reinheit Effizienz b/b: 80% 80%c/c: 90% 35%
--
•LEP-c
Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte
Messung von Hxx
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 1Niveau
Impulsauflösung: Spurdetektoren
Unabhängig vom H Zerfall
Rückstossmasse zu : MH, ZH, gZZH, Spin
Winkelverteilung der : Spin, CP,...
Ziel: M<0.1x
(1/p)
= 7x10-5/GeV
Unterdrückung des Untergrundes
gute Auflösung für Rückstossmasse
e+e-ZZHX
Schlüsselprozess
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)
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 /GeV
Gasgefüllter oder Silizium Spurdetektor?
gasgefüllt Silizium
Menschliches Auge bevorzugt „links“
für Spurerkennung
Warum 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 langlebige Teilchen
Erkennung von „Knickspuren“ Smuon Muon + Gravitino
Design 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 Spurrekonstruktion
Technologien für Gasverstärkung
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 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
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, Rostock
Lawine in GEM-Folie Kaskadierung möglich
Lawine zwischen Gitter und Pads
Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 %
Spurdetektoren: Rekonstruktionsgüte
MH = 50 MeV, =0.03M/M = 0.3%
(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
~~
Jetenergieauflösung: Kalorimetrie
Ziel: E/E = 0.3/E(GeV)
LEP-Detektor
Ist elektroschwache Symmetrie spontan gebrochen?
UG
Signal
LEP-Detektor: E/E = 0.6(1+|cosJet)/E(GeV ) Signifikanz = 3
Rekonstruktion des Higgs-Potenzials via Messung von inZHH qqbbbb
Partonimpulse: Kalorimetrie
•Detektor: Spuren u. Energiedepositionen
•Energieflussalgorithmus: 4er-Impulse der Teilchen
•Bildung der Jets = 4er-Impulse der Quarks
ZHHqqbbbb
Kinematische Fits oft nicht anwendbar wegen Beamstrahlung, ISR und fehlender Energie: , LSPs
exzellente Kalorimetrie
Kalorimetrie: 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:
•X0, Rmoliere klein: kompakte Schauer
•X0 / had klein: Separation von el.-mag. und hadronischen Schauern
laterale u. longitudinale Segmentierung
Granularität wichtiger als E-Auflösung
HCAL
ECAL e
K,n
Kalorimeter: Konzept
ECAL: Silizium-Wolfram-KalorimeterWolfram ideal: X0 /had = 1/25, Rmoliere~9mm
Segmentierung: lateral 1cmx1cm longitudinal: 40 Lagen (24 X0, 0.9had)
Auflösung: E/E =0.11/E(GeV) 0.01 = 0.063/E(GeV) 0.024mrad
HCAL
ECAL
I)Tile HCALRostfreier Stahl + Szinitillator Segmentierung: lateral 52 bis 252 cm2
longitudinal: 9 bis 12 4.5 bis 6.2 had
II) Digitales HCAL Rostfreier Stahl + Digitale Trefferauslese via RPCs, Drahtkammern, GEMs,...Segmentierung: lateral 1x1 cm2 longitudinal: wie bei TILE Auflösung: E/E =0.4/E(GeV) 0.05
Kalorimeter: F&E
In internationaler CALICE Kollaboration (26 Inst., 9 Länder)
ECAL: Produktion und Qualitätskontrolle von W-Platten, Design von Si-Sensoren, Ausleseelektronik u. DetektormechanikHCAL: Optimierung der Zellgrössen, Mechanik TILE: Signalausbeute (Lichtleiter, photosensitive Detektoren) DIGITAL: Auslesetechnologie, -elektronik
Gemeinsames Auflösungsvermögen, RekonstruktionsgüteSoftware-Entwicklung: EnergieflussalgorithmenTeststrahluntersuchung 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, DESY
Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte
Granularität des ECAL: = 68mrad/E(GeV) 8mrad ohne Vertexeinschränkung
z.B.: NeutralinoGravitino+Photon
Photonstossparameter d~1cm
= 22%
Dist=((MH- M12)2+ (Mz- M34)2 + (MH- M56)2)1/2ZHH qq bb bb
Jetenergie:E/E = 0.3/E (GeV)
SignifikanzSig./UG=6
OPAL
Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte
E/E = 0.3/E E/E = 0.6/E
Falls kein Higgs:
Enträtselung der elektro-schwachen Symmetriebrechung mittels Messung von ?
Bestimmung derbeiden Dijetmassen:UnterscheidungWW und ZZ
e+e-WW(ZZ)qqqq
Zusammenfassung
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