Teilchenphysik mit h ¨ochstenergetischen Beschleunigern (Tevatron und LHC)

(1)

Beschleunigern (Tevatron und LHC)

V5: Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (II)

13. November 2007

Richard Nisius (MPP M ¨ unchen) nisius@mppmu.mpg.de

TU M ¨unchen, WS 07/08, S. Bethke und R. Nisius

(2)

Vorlesungsthemen

1. Einf ¨uhrung: Stand der Teilchenphysik 16.10.07 2. Teilchenphysik: offene Fragen und Projekte 23.10.07 3. Hadronenbeschleuniger: Tevatron und LHC 30.10.07 4. Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (I) 06.11.07 5. Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (II) 13.11.07 6. Trigger, Datennahme und Computing 20.11.07 7. Monte Carlo Generatoren und Detektor Simulation 27.11.07 8. QCD, Jets, Strukturfunktionen 04.12.07

9. Standard Modell Tests 11.12.07

10. CP-Verletzung 18.12.07

. . .

11. Top-Quark Physik 08.01.08

12. Suche nach dem Higgs-Boson 15.01.08

13. Supersymmetrie 22.01.08

14. Andere Erweiterungen des Standard Modells 29.01.08 15. Ausblick & Zukunftsprojekte 05.02.08

(3)

Der Plan der beiden Detektorvorlesungen

Teil 1

−Einf ¨uhrung

−Gesamtkonzepte von Detektoren der Hochenergiephysik

−Spurdetektoren (allgemein)

Teil 2

−Halbleiterdetektoren

−Elektromagnetische Kalorimeter

−Hadronische Kalorimeter

−Myondetektoren

(4)

Das Prinzip des pn- ¨ Ubergangs

p⁺ n

−Zwei Si-Halbleiter: 1) p⁺dotiert, Bor,NA=10¹⁹/cm³ 2) n dotiert, Phosphor,NA=10¹²/cm³.

p⁺ n

x

-x_p0 xn

−Werden die Halbleiter in Kontakt gebracht entsteht ein pn- Übergang, mit n = Donator = e Überschuss, und p = Akzeptor = L öcher Überschuss.

p⁺ n

-xp0 xn x

ρ(x)

-q NA

q ND

−Durch Diffusion gleichen sich die ¨Ubersch ¨usse aus.

Das n-Si ist positiv und das p-Si negativ geladen. Es entsteht die Raumladungszone bis sich ein Gleich- gewicht einstellt: NAxp = NDxn.

p⁺ n

-xp0 xn x

ρ(x)

-q NA

q ND

E(x)

−Die Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld:

E(x) =

( −^eN^A

_SI (x+xp) f ¨ur−xp<x<0

eN_D

_SI(x−xn) f ¨ur 0<x<xn

p⁺ n

-xp0 xn x

ρ(x)

-q NA

q ND

E(x)

V(x)

−Dem entspricht ein Potentialverlauf:

V= ^e

SI

`NAx_p²+ NDx_n²´

p⁺ n ⁺HV

-xp0 xn x

ρ(x)

-q NA

q ND

E(x)

V(x) −Mit einer Sperrspannung wird die Raumladungszone

von freien Ladungstr ¨agern verarmt. Der pn- ¨Ubergang kann nun zum Teilchennachweis genutzt werden.

Alle modernen Experimente nutzen Si-Detektoren.

(5)

Ein Siliziumstreifendetektor

Die Prinzipskizze

n+-Silizium p+-Aus-

lesestreifen

Metallisierung (Al)

Ausleseelektronik

Metallisierung (Al) Sperr-

spannung

ionisierendes Teilchen

- + -- -- -

++ ++ +

n-Silizium

−+

80 eh-Paare

µm

Ein ATLAS SCT Sensor

Mit Halbleiterdetektoren werden Spuren und Zerfallspunkte gemessen.

(6)

Der D0 Siliziumdetektor

Schemazeichnung des Spurdetektors

Solenoid Preshower

Fiber Tracker Silicon Tracker

η = 0 η = 1

η = 2 [m]

η = 3

–0.5 0.0

–1.5 –1.0 0.5 1.0 1.5

–0.5 0.0 0.5

1.2 m

Der Silizium Tracker

−Vier Barrellagen aus ein- und doppel- seitigen Sensoren. Unterbrochen durch Scheiben mit doppelseitigen Sensoren.

−840 k Auslesekan ¨ale.

Ein Teil des fertigen Detektors

Der D0 Siliziumdetektor l ¨auft seit 2002.

(7)

Der CDF Siliziumdetektor

Die rϕ-Ansicht

Die z-Ansicht

CDF Layer 00 SVX II ISL Totals

Layers 1 5 2 8

Length 0.9 m 0.9 m 1.9 m

Channels 13824 405504 303104 722432

Modules 48 SS 360 DS 296 DS 704

Readout Length 14.8 cm 14.5 cm 21.5 cm Inner Radius 1.35 cm 2.5 cm 20 cm 1.35 cm Outer Radius 1.65 cm 10.6 cm 28 cm 28 cm

Power ~100 W 1.4 kW 1.0 kW 1.5 kW

−Eine Besonderheit von CDF ist die Layer 00, die direkt auf der Strahlr ¨ohre angebracht ist.

Der ISL Silizium Spurdetektor Einbau in den CDF Detektor

Der CDF Siliziumdetektor l ¨auft seit 2002.

(8)

Der CMS- Siliziumstreifendetektor

Ein paar Daten

−10 Barrellagen und 2×9 Scheiben mit Streifen.

−Das sind 211 m²Silizium, mit 25000 Sensoren und 9.6 M Auslesekan ¨alen.

−3 Pixellagen.

Die Barrellage 4 Ein Teil der Endkappe Ein Teil des Barrels

Dies ist der gr ¨oßte je gebaute Siliziumdetektor.

(9)

Der ATLAS Siliziumstreifendetektor SCT

Schemazeichnung des Spurdetektors Ein paar Daten zum SCT

−Barrel: 4 Lagen.

−Endkappen: 2x9 Scheiben.

−Module: 4088, Barrel 2112, Endkappen 1976 (vier Sorten).

−Ortsaufl ¨osung: 16µm(senkrecht) und 580µm(parallel) zu den Streifen.

Ein SCT Endkappenmodul

16 cm

-

6

8 cm

?

Moduldetails

−768 einseitige p⁺-in-n Streifen mit 50-90µm Streifenabstand (pitch).

−Doppelseitiger Hybrid mit 6 Chips pro Seite, bin ¨are Auslese.

−Befestigungspunkte mit 20µm Genauigkeit.

Am MPP M ¨unchen wurden 420 SCT Endkappenmodule gebaut.

(10)

Der Modulbau im Schnelldurchlauf

Mittleres Modul

Tr ¨agerstruktur (Spine) Thermal Pyrolytic Graphite 500µmdick, 1700 W/m/K

@

@ @ I

Befestigungspunkte Genauigkeit 20µm

1 @

@

@ @ R

Detektoren ca. 6x6x0.285 cm³ 768 einseitige p⁺-in-n Streifen mit 50-90µm Streifenabstand

: XX XX

XX X X z

Hybrid

6-lagige Kupfer-Polyimid Flex auf Carbon-Substrat

H H j

Auslesechips

6 ABCD3T Chips pro Seite, bin ¨are Auslese

Fan-ins

4/Modul, Glas mit Al-Streifen 300µmdick

Außeres Modul¨ Inneres Modul

(11)

Bilder von der Modulproduktion am MPP

Der Roboter zur Ausrichtung Ausrichtung der Wafer

Parallelproduktion der Module Die Bondmaschine

(12)

Bilder von der Qualit ¨atskontrolle am MPP

Pr üfung der mechanischen Pr äzision Messung der Dunkelstr öme

Pr ¨ufung elektrischer Eigenschaften Stresstests in der Klimakammer

(13)

Von Modulen zu Scheiben

Die Vorderseite einer Scheibe Die R ¨uckseite einer Scheibe

(14)

Die Integration von SCT und TRT Barrel

Die Integration erfolgte ohne Probleme am 12.+13. Februar 2006.

(15)

Letzte Tests vor dem Einbau in ATLAS

<2000 ENC <10⁻⁴

SCT-TRT Myon

1

2

3

(16)

Einbau in ATLAS - von der Oberfl ¨achenhalle zum Zugangsschacht

(17)

Endkappe A - vom Zugangsschacht zur endg ¨ ultigen Position in ATLAS

(18)

Endkappe A - die letzten Meter

(19)

Das SCT-TRT Barrel nach dem Einbau in ATLAS

Der Einbau in ATLAS erfolgte am 23.+24. August 2006.

(20)

Mit bestrahlten Modulen auf Spurensuche am Pion-Teststrahl

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000 000 000 000 000 000 000 000 000

111 111 111 111 111 111 111 111 111

Light tight, thermally insulating box Scintillator Trigger

180 GeV pions Telescopes Telescopes

0044*K5 3030047*K5 310*0007*00970034* 0026KB 105 K5 308*

KB 104 K5 312*

- 6

z

⊥

- 6

z k

single module X residual (cm)

-0.010 -0.005 0 0.005 0.01

50 100 150 200 250

/ ndf

χ2 282.6 / 88

Constant 228.1 ± 3.927 Mean -6.422e-05 ± 2.374e-05 Sigma 0.001598 ± 1.404e-05

/ ndf

χ2 282.6 / 88

Constant 228.1 ± 3.927 Mean -6.422e-05 ± 2.374e-05 Sigma 0.001598 ± 1.404e-05

σPunkt,⊥≈16µm -0.020 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.0054-plane fit X residual (cm)0.01 0.015 0.02 100

200 300 400 500 600

/ ndf

χ2 36.13 / 28

Constant 594.5 ± 11.18 Mean 2.781e-05 ± 1.774e-05 Sigma 0.001157 ± 1.276e-05

/ ndf

χ2 36.13 / 28

Constant 594.5 ± 11.18 Mean 2.781e-05 ± 1.774e-05 Sigma 0.001157 ± 1.276e-05

σSpur,⊥≈12µm

−Spur aus drei Modulen

⇒ >97%, zuf ¨allig<10⁻³

−Spur aus vier Modulen

⇒ >97%, zuf ¨allig<10⁻⁴

−Spur≈Q Punkt

Auch nach voller Dosis ist Spurmessung mit hoher Effizienz und kleiner Zufallsrate m ¨oglich.

(21)

Grenzen der Anwendung von Streifendetektoren

Trefferambiguit ¨aten

−Bei hohen Trefferdichten wird die Anzahl der L ¨osungen (p=n!) zu groß. Dadurch wird das Auffinden von Spuren sehr ineffizient.

Sekund ¨are Zerfallspunkte

−Die Aufl ösung der Streifendetektoren von z.B. 16µm(⊥) und 580µm(k) f ür ATLAS reicht nicht aus, um sekund äre Zerfallspunkte effizient zu finden und pr äzise zu messen.

Eine pr ¨azise 2-dimensionale Information in der Sensorebene muss her.

(22)

Prinzip eines Hybrid Pixeldetektors

Die Prinzipskizze

Die Hybridisierung

−Die vertikale Verbindung der Pixel mit den Auslese- kan ¨alen der Elektronik erfolgt durch bump bonding.

−Dies erlaubt eine sehr feine Segmentierung, CMS: 150×150µm², ATLAS: 50×400µm²und ALICE: 50×450µm².

−Damit entsteht eine riesige Datenflut, CMS: 33 M Pixel ATLAS: 82 M Pixel und ALICE: 10 M Pixel.

Alle LHC Detektoren arbeiten mit Pixeldetektoren nahe der Strahlachse.

(23)

Der ATLAS Pixeldetektor - vom Plan zur Realit ¨at

Ein Pixelmodul Der Detektor und eine Barrelhalbschale

(24)

Einbau des Pixeldetektor in ATLAS am 28.6.2007

(25)

Strahlensch ¨aden von Siliziumdetektoren

Teilchenfluss

0 10 20 30 40 50 60 r [cm]

10¹³ 5 10¹⁴ 5 10¹⁵ 5 10¹⁶

Φeq [cm-2] total fluence Φeqtotal fluence Φeq

neutrons Φeq pions Φeq other charged SUPER - LHC (5 years, 2500 fb^-1)

hadrons Φeq ATLAS SCT - barrel ATLAS Pixel

Pixel (?) Ministrip (?) Macropixel (?)

(microstrip detectors)

[M.Moll, simplified, scaled from ATLAS TDR]

Verarmungsspannung

10¹⁴ ¹⁰

3

µm

Effective Doping Concentration Effective Doping Concentration 10

m-3] zed to 100 µ

10¹³

Neff (t0) [cm 10²

V] normaliz

n-EPI-ST, 72 µm n-EPI-ST, 72 µm n-EPI-DO, 72 µm n-EPI-DO, 72 µm

10¹²

N

10¹ Vfd (t0)[V FZ, 50 µm FZ, 50 µm FZ, 100 µm FZ, 100 µm MCz-IP, 100 µm MCz-IP, 100 µm MCz-DI, 100 µm MCz-DI, 100 µm p-EPI-ST, 50 µm p-EPI-ST, 50 µm

10¹³ 10¹⁴ 10¹⁵ 10¹⁶

Φeq [cm^-2]

Kristallsch ¨aden durch nicht ionisierenden Energieverlust (NIEL)

−Anderung der effektiven Dotierung¨ ⇒Erh ¨ohte Verarmungssp. oder partielle Verarmung.

−Ansteigen der Leckstr ¨ome⇒Erh ¨ohtes Rauschen und Gefahr des thermischen Kollaps.

Ladungssammlung

n-in-p (sSCT?)

100%

75%

40%

−Erh ¨ohtes Einfangen der Ladung⇒Verlust von Teilen der Signalladungen.

Oberfl ¨achensch ¨adigung durch ionisierenden Energieverlust (IEL)

−Ansammlung positiver Ladungen im SiO₂und in der SiO₂Grenzfl äche⇒Erh öhte Zwischenstreifen-Kapazit ät (erh öhtes Rauschen) und ge ändertes Durchbruchsverhalten.

Das Signal zu Rauschverh ältnis ist die wichtigste Qualit ätsgr öße.

(26)

Elektronen in Materie

Relativer Energieverlust pro Strahlungsl ¨ange

Bremsstrahlung Lead (Z = 82) Positrons

Electrons

Ionization Møller (e−)

Bhabha (e+) Positron annihilation 1.0

0.5

0.20

0.15

0.10

0.05 (cm2g−1)

E (MeV) 01

10 100 1000

1 E−dE dx(X0−1)

−Zus ¨atzlich zu Ionisation und Bremsstrahlung gibt es noch Streuung an den e⁻des Materials, Møller und Bhabha Streuung f ¨ur e⁻und e⁺.

−Die Abschw ¨achung: E =E0e

−x

X0 wird durch die Strahlungsl ¨ange X0parametrisiert, empirisch: X0= ^{716.4 A}

Z(1+Z)ln(287/√ Z)

g cm² ∝ ^A

Z²

8

<

: Pb :

Z =82,A=207.2_mol^g , ρ=11.3 ^g

cm³

⇒X₀=b0.56cmf ¨ur Blei Die Kritische Energie

h

Ec≡“

dE dx

”

ion=

“dE dx

”

brems

Ec (MeV)

Z

1 2 5 10 20 50 100

5 10 20 50 100 200 400

610 MeV________

Z + 1.24

710 MeV________

Z + 0.92

Solids Gases

H He Li Be B C NO Ne Fe Sn

Ec ≈5−300MeV

Die Wechselwirkungen der Elektronen resultieren in elektromagnetischen Schauern.

(27)

Photonen in Materie

Photon Energy 1 Mb

1 kb

1 b

10 mb

10 eV 1 keV 1 MeV 1 GeV 100 GeV

(b) Lead (Z = 82) - experimental σ

tot σp.e.

κe

Cross section (barns/atom)Cross section (barns/atom)

10 mb 1 b 1 kb 1 Mb

(a) Carbon (Z = 6)

σRayleigh

σg.d.r.

σCompton

σCompton σRayleigh

κ_nuc

κnuc κe σp.e.

- experimental σ_tot

A=12.01_mol^g X₀=43 ^g

cm²

A=207.2_mol^g X0=6.4 ^g

cm²

Die Haupteffekte

−Der Photoelektrische Effekt,σp.e..

−Die koh ¨arente Streuung,σRayleigh.

−Die Compton Streuung,γe⁻→γe⁻,σCompton.

−Die Paarerzeugung (PE),γ→e⁺e⁻, im Feld der Nukleonen / Elektronen,κ_nuc/e.

−X0= ⁷₉der mittleren freien Wegl ¨ange f ¨ur PE.

Die Paar-Produktion

0 0.25 0.5 0.75 1

0 0.25 0.50 0.75 1.00

x = E/k Pair production

(X0NA/A) dσLPM/dx

1 TeV 10 TeV 100 TeV

1 PeV 10 PeV

1 EeV

100 PeV

dσ dx = _X^A

0N_A

h

1− ⁴₃x(1−x)) i

⇒ σ= ⁷₉_X^A

0N_A

 0.36b f ¨ur C 41.8b f ¨ur Pb

(28)

Elektromagnetische Kalorimeter - die Grundlagen

−EGS4 Simulation, Ecut=1.5MeV.

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125

0 20 40 60 80 100

(1/E0)dE/dt

t = depth in radiation lengths

Number crossing plane

30 GeV electron incident on iron

Energy

Photons

× 1/6.8 Electrons

0 5 10 15 20

Die Schauerentwicklung

−Ansteigen der Teilchendichte solange Energie gr ¨oßer Ec, danach Abfallen durch Absorption.

−Schauertiefe:

tmax= ^x^max_X

0 =ln_E^E

c ±0.5

 + f ¨urγ

− f ¨ur e

−98% der Energie ist in x<2.5 xmax.

−Die Schauerbreite entsteht durch Vielfachstreuung.

−Moli `ere Radius: RM= ²¹_E^MeV

c X0

h g cm²

i

−95% der Energie wird in R<2RM

deponiert.

Beispiel: SiW Kalorimeter, E=100GeV X₀(g/cm²) X₀/ρ(cm) Ec(MeV)

W 6.8 0.35 8.0

Si 22 9.4 39

1:1 14.4 4.9

−E/Ec =4·10³

−xmax=7.9 X0 ⇒ L≈110cm

− RM ≈ 3cm ⇒ BxH≈10x10cm² Ein sehr kompaktes Kalorimeter.

(29)

Verschiedene Konzepte f ¨ ur elektromagnetische Kalorimeter

Total absorbierende Kalorimeter Sampling Kalorimeter

−Material zum Aufschauern und Detektieren:

−Gemessenes Signal:

−Verluste in inaktiven Material:

−Information ¨uber longitudinales Schauerprofil:

−Aufl ¨osung f ¨ur d=25 X₀mit E inGeV:

Statistik⊗Rauschen⊗Inhomogenit ¨aten der Kalibration

gleich verschieden Licht Licht oder Ionisation

nein ja

PbWO₄(CMS): ^d_dE^σ = ^3.2%^√

E ⊗ ^20%_E ⊗0.5%

LAr/Pb (ATLAS):^d_dE^σ = ^10%^√

E ⊗^30%

E ⊗0.4%

Total absorbierende Kalorimeter haben die bessere Aufl ¨osung.