IEKP-KA/2013-4 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT

8 2. Der LHC und das CMS-Experiment
2.3. CMS Spurdetektor Upgrade
Die Luminosität eines Teilchenbeschleunigers charakterisiert den Zusammenhang zwischen
seiner Ereignisrate und dem Wirkungsquerschnitt der untersuchten Ereignisse. Für
Ringbeschleuniger ist sie definiert als
L = N B
N 1 N 2
A int
f [Hin08] (2.1)
Dabei ist N B die Zahl der umlaufenden Teilchenpakete, N 1 und N 2 sind die mittleren
Teilchenzahlen pro Paket in den beiden Richtungen, A int ist die effektive Wechselwirkungsfläche
und f ist die Umlauffrequenz des Beschleunigers. Mit der Luminosität kann
somit die Ereignisrate im Detektor abgeschätzt werden. Derzeit ist der LHC für eine Luminosität
von 1 × 10 34 cm −2 s −1 ausgelegt.
Die Steigerung der Präzision der Experimente und Suche nach neuer Physik motivieren
ein Upgrade des LHC zum HL-LHC. Danach soll die Luminosität des LHC um den Faktor
zehn erhöht werden. Um dies zu erreichen, müssen einige Vorbeschleuniger [Sha08]
und Detektorsysteme erneuert werden. Der Siliziumstreifen-Spurdetektor von CMS wird
nach den derzeitigen Plänen vollständig ersetzt.
Der zukünftige Spurdetektor muss eine präzise Spurrekonstruktion garantieren, da bis
zu 250 Kollisionsereignisse pro Paketdurchgang zu erwarten sind. Dazu soll die Auflösung
verbessert werden. Mit der Erhöhung der Kollisionsrate steigt auch die Strahlenbelastung
des Materials im Detektor. Alle Komponenten des zukünftigen Spurdetektors
müssen strahlungsfest sein, um der zu erwartenden Belastung bei der geplanten integrierten
Gesamtluminosität von 3000 fb −1 standhalten zu können. Die Materialmenge im
Detektor soll insgesamt reduziert werden, um die Leistung des Systems zu verbessern.
[Abb11]
Eine wichtige neue Aufgabe soll der Spurdetektor zusätzlich erfüllen: Er soll helfen, interessante
Ereignisse für die Datenauslese zu identifizieren (Level-1 Trigger). Für diesen
Zweck werden Sensormodule entwickelt, die auf Modulebene Spuren hochenergetischer
Teilchen erkennen und an den Gesamttrigger des Detektors melden können. Dies wird
durch eine Diskriminierung von Teilchen mit niedrigem Transversalimpuls erreicht (P T -
Diskriminierung, siehe Abbildung 2.5). Ein derzeit untersuchtes Konzept dafür ist das
2S-Modul, das im Abschnitt 2.3.1 vorgestellt wird.
Abbildung 2.5.: Funktionsprinzip einer P T -Diskriminierung: Nur Teilchen mit hohem
Transversalimpuls treffen zwei übereinander angeordnete Sensoren in
geringem Abstand zueinander und lösen dadurch den Trigger aus.
[Hal11]