Vortrag LHC+ATLAS/CMS - Hera-B - Desy

20.07.2006
Im Rahmen der
Vorlesung
Detektoren in
derElementar- teilchenphysik
Gordon Fischer
und Michael
Volkmann
Vortrag LHC+ATLAS/CMS

Überblick
A: Motivation: Higgs Boson und SUSY
B: Large Hadron Collider (LHC)
C: Experiment 1: ATLAS
D: Experiment 2: CMS

HIGGS-Teilchen
Die Teilchen in den 3 Familien
unterscheiden sich nur in ihrer Masse.
Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten.
Warum haben die Teilchen Masse?
Antwort der Theoretiker: Higgs-Teilchen „gibt“ allen Teilchen Masse
Wie kann man das verstehen????
Masse ⇔ Trägheit
Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen,
bevor er das Geld für den „Large Hadron Collider“
locker macht ……..

Physikalische Prozesse zur Higgserzeugung
• Vielzahl von Erzeugungsmöglichkeiten
• Higgs koppelt an alle massiven Teilchen
• Häufigkeit stark von Masse des Higgs abhängig (unbekannt)
• Häufigster Prozess nicht der beste

•Zerfallskanäle Zerfallskanäle des Higgsbosons in Abhängigkeit seiner Masse

Goldene Kanäle zur Higgssuche
Ab 150 GeV entstehen geladene Leptonen
Daher: em. Kalorimeter und Myonsystem wichtig!

Fermion
Boson
electron
selectron
quark
squark
photon
photino
vereinigt
Bosonen mit
Fermionen
Kraft mit
Materie
Boson
Fermion

M X ~ 10 14 GeV
τ p ~ 10 31 a
vereinigt Kräfte und …
M X ~ 10 16 GeV
τ p ~ 10 38 a
m Pl
• ein Vereinigungs-Punkt
bei M X = 2·10 16 GeV !
• Proton-Lebensdauer > exptl. Grenze
• leichtestes SUSY-Teilchen
Dunkle Materie im Universum !
• beseitigt mathemat. Inkonsistenzen
in der Theorie

1.Der LHC Beschleuniger
• 27 km langer Ringbeschleuniger am
CERN (früher LEP)
• Schwerpunktsenergie 14 TeV
• Kosten: 2,9 Mrd €
• 4 große Experimente:
• ATLAS
• CMS
• LHCB
• ALICE

Der Large Hadron Collider (LHC)
Ist ein 27 km langer Kollisionsring,
der sich in einem 27 km langen
Tunnel 100 m unter der Erde bei
Genf (CERN) befindet.

Hier ist er ….

Einige Daten (am Kollisionspunkt)
-Protonenenergie 7000 GeV
-Relativistisches Gamma γ=746
1
-Anzahl der Teilchen pro bunch 1,1× 10
-Anzahl der bunches 2808
-transversale Emittanz
3.75
-gespeicherte Energie im Strahl 362 MJ
15

• pp-Collider mit
separaten
Magnetfeldern und
Vakuumkammern
Vakuumkammern
• beide Strahlen teilen
sich ca. 130m langes
Rohr um die
Wechselwirkungszone
Schematischer Überblick

Die Luminosität
Anzahl der Events pro sec ist N = L σ
event event
N n f γ
Luminosität L = F
4
Am LHC wird es 2 Experimente mit hoher
1
2 2
b b rev r
π εn ∗
β
34
(L=10 ,ATLAS, CMS) und zwei mit niedrig
2
cm s
1 1
32 27
(L=10 für LHCB & L=10 für ALICE)
2 2
cm s cm s
Luminosität geben.
er

Der Atlas Detektor
1. Durchbruch
im Experiment
A Toroidal Toroidal
LHC HC
Aparatu paratuS
Startet wie LHC Ende 2007
Laufzeit ca. 15 Jahre
Durchmesser: 22m, Länge 46m
Masse 7000t
80m unter der Erde
Hauptziel: Higgs, Susy …
Kosten 350.000.000 €

Designkriterien
Inner-Detector
Kalorimeter
Magnetsysteme
Myonspektrometer
Trigger
Events
ATLAS Inhalt

ATLAS Video

Design Kriterien
Hohe Präzision bei „primary and secondary Vertex
resolution“
Hohe Auflösung bei Transversalimpulsmessung von Leptonen
Tau-Lepton Erkennung
Schwere Quarks
EM Kalorimetrie für Elektron/Photon mit hoher E-Auflösung
Had. Kalorimetrie mit hoher E-Auflösung und auch für
fehlende E.
Eff. Myon-Impulsmessung mit Zeitauflös. < kleiner als LHC
BC-Rate
Hohe Akzeptanz der Pseudo-Rapidität (detektorabhängig)
Triggering und präzise Messung für Teilchen mit kleinem
Transversalimpuls (~20GeV/c²) hoffentlich möglich

Innerer Detektor
Pixel Detektor
Semi-Conductor Tracker (SCT)
Transition Radiation Tracker (TRT)
Umgeben von supraleitendem Central Solenoid
Magnetsystem mit B=2T

Der Pixeldetektor
3 Zylinder von jeweils 4cm, 10cm, 13cm Radius
5 Scheiben mit Radien von 11 bis 20cm auf
jeder Seite
Pixel: 50μm 50 m x 300μm 300
10 8 Kanäle
Bestmögliche Nähe zum WW-Punkt

Semi-Conductor Tracker (SCT)
8 je um 40μrad 40 rad verdrehte Lagen von Si-Streifen
Spurmessung mit Auflösung von 16μm 16 m
transversal und 580μm 580 m in Strahlrichtung
Vorwärtsrichtung zusätzlich 9 doppelte
Scheiben mit gleich guter Auflösung in rΦ r
Impulsmessung und Vertexposition

Transition Radiation Tracker (TRT)
„straw“-Detektor
straw“-Detektor
Xenon gefüllt dünne Driftröhren
Dazwischen Radiatorfolien (Übergangsstrahlung
wird erzeugt)
36 weitere Spurpunkte mit Auflösung 170μm
170

Radiator
Röhrchen
Radiator
Röhrchen

Kalorimetersystem
EM „Akkordeon“ Kalorimeter
Hadronisches Platten-Kalorimeter
Hadronic LAr End Cap Calorimeters (HEC)
Forward LAr Calorimeters (FCAL)

EM „Akkordeon“ Kalorimeter
•Pseudo-Rapidität: η= - ln { tan(θ/2) }
•Blei – Liquid Argon Kalorimeter
•24 Strahlungslängen im Mittelteil und 26 StL. „End Cap“
•Teilchen durchlaufen vorher 2.3 StL. bei η=0
•100.000 Kanäle

Hadronisches Platten-Kalorimeter
|η| | < 1,6
14mm dicke Eisenplatten als Absorber
3mm dicke Szintillatorplatten aus Polystyrol mit
Zusatzstoffen C 18 H14 14 (1,5%), C 24 H16 16 N2O2 2 (0,04%)
(beide λ-Schieber)
-Schieber)
Zylinder mit Innen-/Außenradius von 2,28m / 4,25m
1 mittlerer Zylinder mit Länge 5,64m und 2
anschließende Zylinder von 2,65m Länge (dazwischen
68cm Lücke für Auslese usw.)
Jeder Zylinder 64 unabhängige Azimuthal-Module
Alle 3 Zylinder sind unterteilt in 3 Lagen mit 1,4λ 1,4 4,0λ 4,0
1,8λ 1,8 bei η=0 =0
(λ ist die hadronische WW-Länge)

Hadronisches End Cap LAr Kal. (HEC)
2 unabhängige Scheiben
konzentrisch um das Strahlrohr mit
Außenradius 2,03m
|η| | < 3,2 (in EM-Kal. Kühlung
integriert)
Nahe Scheiben: 25mm Cu-Platten
2 äußere Scheiben 50mm Cu-Platten
Jede Scheibe besteht aus 32 Modulen

Forward LAr Kalorimeter (FCAL)
3,1 < |η| | | < 4,9 (wieder in EM End Cap
Kühlungsregler integriert)
Nahe dem WW-Punkt starke Strahlung
Daher hohe Dichte
9,5 X 0, , mit 3 Segmenten
1. Kupfer als EM-Kalorimeter
Beide hinteren Teile aus Wolfram
Mit Röhren in denen LAr als aktives
Material
FCAL: 3584 Kanäle insgesamt

Magnetsysteme
Innen:
• Central Solenoid (CS) 2,0T
• (gleicher Vakuumbehälter wie EM-Kalorimeter)
Außen:
• Air-core Barrel Toroid (BT) 3,9T
• End Cap Toroid (ECT) 4,1T
ECT um 22,5° gegen BT gedreht, um
Bahnkrümmung in Überlappregionen zu
optimieren
Jeweils 8 Spulen radial zum Strahlrohr
Jeder der 8 BT Spulen besitzt eigenes
Kühlungssystem
ECT besitzt 2 große Kühlungssysteme
Helium 4,7°K (auch CS)

Myon Spektrometer (MS)
4 Bestandteile:
Cathode Strip Chamber (CSCs) und
Monitored Drift Tubes (MDTs) sind
Präzisions-Spurkammern
Resistive Plate Chamber (RPCs) und
Thin Gap Chamber (TGCs) sind Teil
des Level 1 Trigger Systems

Präzisionsspurkammern
(CSCs und MDTs)
3 zylindrische Lagen in der Mitte
4 Scheiben in den äußeren Bereichen
Jeweils 2 mehrfache Lagen von CSCs nahe dem
WW-Punkt und 3 mehrfache Lagen von MDTs weiter
außen
CSC: multi-wire Proportionalkammern mit
Ortsauflösung von 50μm 50
MDT: 70 - 630cm lange Aluminiumröhre
mit Durchmesser von 30mm
Gefüllt mit Ar-CO 2 –Mischung, mit Einzelauflösung
80 μm
Monitored optische Überwachung der mech.
Verformung

RPCs und TGCs
Narrow gas gap Chambers aus zwei
widerstandsfähige Platten (isoliert)
Gefüllt mit C 2H2F6 und SF 6 Mischung
2 Lagen von Strips zur Auslese (rechtw.)
Orts- / Zeitauflösung 1cm / 1ns
Multi-wire Porportionalkammern mit kleinem
Abstand zwischen Kathode – Anode
CO 2 und n-C 5H12 12 Mischung
Gute Zeitauflösung und zusammen mit RPCs
Bildung von Triggerlevel 1

Level 1 Trigger
Hardware Trigger
LHC produziert 40 MHz * 23 events = 960
MHz
Reduziert auf ca. 75 kHz
Identifiziert Regions of Interest (RoI)
Kein Tracking -> zu hoher Fluss
Weiterleitung zu Level 2
RoI-Builder combiniert verschiedene
Teildetektoren

High Level Trigger System (HLT)
Nach LVL 1 trotzdem noch
160Gbyte/s
Hochwertiges HLT nötig
Bestehend aus Level 2 und
Eventfilter
Eventrate auf O(100)Hz reduzieren
ca. 1,5 Mbyte pro Event
Kapazität ca. einige hundert Mbyte/s

Level 2
Eingang 75 kHz
Schnelle aber limitierte
Präzisionsalgorithmen
Nutzt nur ca. 2% der Eventdaten (RoI)
Aber: restliche Eventdaten bleiben in
Pipeline
Mittlere Rechenleistung nötig
ca. 10 ms pro Event
Ausgang 1 kHz

Event Filter
Eingang 1 kHz
Vollständige Eventdaten (keine RoI)
Langsame aber genaue
Präzisionsalgorithmen
Sehr hohe Rechenleistung
Ausgang 100 Hz
ca. 1s Rechenzeit pro Event
Eventspeicherung auf Band

Event selection Strategie
• Riesige Unterschiede in
Größenordnungen der
WQS
• inklusiv
Rate 6 MHz
σ ( bb)
= 0.6mb
• inklusive W-Produktion
300 Hz
H →
γγ
• StM Higgs (120 GeV)
0.001 Hz
• Unvoreingenommene und
effiziente
Algorithmen

Physikalische Trigger Objekte
Elektron (|η|

Trigger Menu
Benennungsschema: NoXXi (2e15i)
(N: min. Anzahl der Objekte, o: Objekt,
XX: Schwellwert, i: Isolationskriterium)
Inclusive physics triggers (Basistriggersystem),
Bsp.: 60 γ i, 2 γ20i
20i für Zerfall des Higgs
Prescaled physics triggers
Bsp.: 1Tau, 2 Tau (verschiedene Schranken,
für Z 2xTau)
Exclusive physics triggers
Bsp.: e20i+xE25 für W ev
Monitor and Calibration triggers
Bsp.: e25 Stellt Triggereffiziens für e25 dar

Abgelehnt!!!

muon
muon
u~
~
d
Akzeptieren
oder
Verwerfen?
Akzeptieren!
Supersymmetrie
R
L
→ u + χ~
→ d + χ
~
0
1
0
2
→ d + μ
+
+ μ
−
+ χ
~
0
1

Abgelehnt!!!

muon
énergie
énergie
Akzeptieren
oder
Verwerfen?
Accepter!
boson Higgs
W H
μbb
ν
+
μ + →

Fanartikel (www.atlas.ch)
3d-Viewer
T-Shirts und Poster

Der CMS Detektor
(Compact ompact Muon uon Solenoid) olenoid)

Überblick
1. Motivation und Aufgabe
2. Aufbau
2.1 Spurkammer
2.2 Kalorimeter
2.3 Das Magnetfeld
2.4 Myonenkammer
2.5 Trigger und DAQ

1.Der Detektor:
Motivation und Aufgaben
• CMS ist „komplementärer“ Detektor
zu Atlas
• Unterschiedliche Designs garantieren
bessere Untermauerung der
Messdaten
• Hauptsächlich Nachweis von Myonen
mit hohem transversalen Impuls,
Elektronen und Photonen

2. Aufbau
Wesentliche Elemente:
• zentraler Spurdetektor
• hochwertiges elektromagnet.
Kalorimeter
• hermitesches hadronisches
Kalorimeter
• hervorragender Myonendetektor

CMS - Längsschnitt

Querschnitt des CMS Detektors

2.1 Die Spurkammern
Aufgaben:
Spuridentifizierung
• Spuridentifizierung
• Impulsmessung
• Vertexidentifizierung

• 2 Schichten im
Abstand (7
und 11) cm vom
Strahl
• An Enden (6 und 15)
cm Pixelschichten aus
modularen
Detektoeinheiten
• Jedes Modul hat eine
Sensorplatte mit Read
Out Chips (ROC)
Pixel Detektor

Jeder Sensorpixel ist mit
einer Pixeleinheit auf ROC
Verbunden
Die Daten werden gelagert
und warten auf Trigger-
Information
Zellgröße ist 150x150 μm
Pixel Detektor
2

Silikon Streifendetektor
-4 innere Schichten
-6 äußere Schichten
-An den Enden jeweils 2
Endcaps
-Blau: doppelseitig
-Die Endcaps erfassen eine
Pseudorapidität von η=2,5

z.B. Impulsmessung
-Solenoid Feld krümmt Tracks in (r, Φ)
Ebe ne
-Impuls durch Krümmung im Magnetfeld
ur
-Bahn im B-Feld senkrecht zur Geschwindi gkeit
-Spurrekonstruktion ergibt R → p =0,3 B R
-Kombination des Spursystems mit
kammer →
sehr hohe Genauigkeit
T
äußerer Myonen

2.2 Die Kalorimeter
• Wie immer elektromagnetisch und hadronisch
• Elektronen, Photonen und Hadronen gestoppt und
deren Energie gemessen
• wichtig ist die Vermessung von em. und
hadronischen Schauern
• z.B. ein Higgsteilchen mit Masse (100-140)GeV
zerfällt bevorzugt in 2 Photonen EM-Schauer
• Desweiteren Pre-Showerdetektor und
Forwardkalorimeter

2.3 Das Magnetfeld
• Wahl des Magnetfeldes ist wichtigster
Aspekt:
• starkes zentrales Solenoid-Feld (4 T)
(Vermessung der Teilchenspuren geladener Teilchen)
Rückflussjoch
(zum weiteren Vermessen der Myonen)
• Rückflussjoch

CMS – „Baukasten“

Erzeugung des Magnetfeldes
• magnetischer Fluss wird
durch 1,5m dickes Eisenjoch
umgekehrt
• Joch ist unterteilt in Barrel-
und Endcapregion
• Barrel (in 5 Ringe aufgeteilt)
ist 13,20m lang und wiegt
7000t
• jeder Ring aus 3
Eisenschichten
• zentraler Barrelring ist der
einzig stationäre
• alle anderen und die Endcaps
sind beweglich (um die
Myonenstationen warten zu
können)
• Endcaps wiegen jeweils
2300t

Warum gerade so ein Magnetfeld?
• Wollen Impuls bestimmen hohe
Auflösung entweder durch große
Krümmungskraft oder sehr hoher Präzision
im Aufbau des Detektors
• Für gleiche Krümmungskraft ist solenoide
kleiner als toroidale Anordnung
• Wenn das Feld parallel zum Strahl, dann
ist die Krümmung der Myonenspur in der
zum Strahl senkrechten Ebene hohe
Auflösung des Vertex in transversaler
Position
• Starke Krümmung erlaubt Auszählen von
Spuren, die vom Vertex kommen.

Das Magnetfeld
• Die Spule ist in einem Vakuumtank untergebracht
• In der Spule selbst befinden sich der Tracker, das
elektromagnet. und das hadronische Kalorimeter

Magnetfeld des CMS Detektors

Vermessung der Myonen
• Myonendetektoren liegen hinter Spule
• 4 Myonenstationen liegen zwischen
Eisenjochplatten
• Aufbau: konzentrischer Zylinder (um den Strahl)
in der Mitte des Detektors und Scheiben
senkrecht zum Strahl an den Enden des
Detektors
• Absorbermaterial so dick, dass nur Myonen (und
Neutrinos) in den Bereich kommen
• Aber Probleme mit dem Untergrund (z.B.
hadronische Schauer durch harte myonische
Bremsstrahlung)
• Deshalb 4 Stationen, von denen mindestens zwei
ansprechen müssen

• dort wo Magnetfeld im
Eisenjoch gefangen
eingesetzt
• jedes Rohr enthält einen
Draht
• Rohre in Schichten
angeordnet
• nur Signale von Drähten
wenn ionisierendes
Teilchen durch Rohr
Elektronen fliegen zum
positiven Potential
• sehr genaue Vermessung
der Ebene senkrecht zum
Draht
Drift Tubes

Cathode Strip Chambers
• werden in Endcapregion ver-
wendet (Magnetfeld groß und
inhomogen)
• CSC sind
VieldrahtproportionalitätsVieldrahtproportionalitätskammern
• jede Kathodenebene unterteilt
in Streifen mit gekreuzten
Drähten
• Lawinenbildung Ladung auf
verschiedene Streifen
• sehr genaue Orts-und
Zeitauflösung
• sehr schneller Detektor
besonders geeignet zum
Triggern

Resistive Parallel Plate Chambers
• schneller Gasdetektor
• Basis für Triggerprozeß
• sehr gute Raum- und
Zeitauflösung
• 2 parallele Platten und
Elektroden aus extrem
widerstandsfähigem
Plastikmaterial
• EM-Feld im RPC ist
gleichförmig
• Elektronen machen
Sekundärionisation
detektierte Signal von allen
Lawinen
• wird in Barrel- und
Endcapregion eingesetzt

Trigger Geometrie (Myonkammer)

-CMS Trigger ist für L=10
ausgelegt
9
-müssen die Rate 10 /s um
Das Trigger System
34
2
cm s
7
Faktor 10 auf 100/s reduzieren
-CMS in 2 Schritten
(Level1 und HLT)
-Level1 speichert max. 3 μs
nicht mehr als 100kHz →
HLT
1

Das Trigger System
Vergleich der Bunch Crossing Frequenz

Das 2 Stufen Trigger System von CMS

40 MHz pipeline, latency < 3.2 μs
Level1 Trigger- Datenfluss
Calorimeter Trigger Muon Trigger
HF HCAL ECAL RPC CSC DT
Regional
Calorimeter
Trigger
Global
Calorimeter
Trigger
e, J, E T, , H T, , E T miss miss
MIP+
ISO bits
max. 100 kHz L1 Accept
Pattern
Comparator
Trigger
Global Trigger
4+4 μ
Local
CSC Trigger
CSC Track
Finder
4 μ
Global Muon Trigger
Local
DT Trigger
DT Track
Finder
4 μ
4 μ (with MIP/ISO bits)

Trigger Strategie für Level1
-lokal: Messung von Energie in einz elnen Kalorimeterzellen
Bestimmung von Spurpunkten im Myonendetektor
-regional: Identifikation der Teilchensi gnatur
Messung von p ,E
T T
T T
,.... und der Ortskoordinaten
-global: Sortieren nach p /E → 4 beste jeden Typs
∑
Bestimmung der Summe E ,E für 8 Schwellwerte
miss
T T

Level-1 (~µs) 40 MHz
High-Level ( ms-sec) 100 kHz
Event Size ~ 10 6 Bytes
LVL1 HLT
two trigger levels
40 MHz
Clock driven
Custom processors
100 kHz
Event driven
PC network
Totally software
100 Hz
To mass storage

Trigger Geometrie (Kalorimeter)

Unterschiede
Atlas CMS

Quellen
„Atlas Atlas Technical Design Report“, (CERN 10.2003)
Diplomarbeit, Tobias Raufer (Uni Freiburg, 03/2003)
Diplomarbeit, Ingo Reisinger (Uni Dortmund, 02/2006)
„Ein Ein Universum voller Teilchen“ , Martin zur Nedden
„Atlas Atlas Experiment“, P. Jenni (Vortrag am DESY HH,
02/2006)
www.atlas.cern.ch
www.atlas.ch
www.cms.cern.ch
„Die Die Higgs Suche“, Stefan Kasselmann (06/2001)
„Detektoren Detektoren in der Teilchenphysik“,
Martin zur Nedden (07/2006)