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Teilchendetektoren
Energiemessung mit Kalorimetern
Sommersemester 2012
Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW
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Themen
• Was ist ein Kalorimeter ? • Elektromagnetische Kalorimeter für Elektronen, Positronen
und Photonen • Hadronische Kalorimeter • Instrumentierung von Kalorimetern • Kryogenische Kalorimeter • Kalorimeter für die Astrophysik • Beispiele für Kalorimeter-Systeme
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ENERGIE MESSUNG MIT KALORIMETERN
PRINZIP DER KALORIMETER - MESSUNG : • Totale Absorption des Teilchens im Kalorimeter – Material WECHSELWIRKUNG (im Allgemeinen) • Elektromagnetisch : elektromagnetische Kalorimeter • Hadronisch : hadronische Kalorimeter ABSORPTIONSPROZESS • Teilchen gibt Energie in einer Folge von Kollisionen ab; • Bildung eines ‚‘Schauers‘ von Sekundär-, Tertiär-,... Teilchen; solange, bis Energie der Schauerteilchen
unter Schwelle für Teilchenproduktion fällt. • Letztlich : Energie in molekulare Vibrationen ⇒ Wärme ⇒ • ‘Kalorimeter’
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ENERGIEBEREICH FÜR KALORIMETRIE
0.1 eV - 10 eV : ‘Niedertemperatur’ – Kalorimeter für WIMPs (Weakly Interacting Massive
Paticles…Dunkle Materie Kandidaten), Röntgenspektroskopie
⇒innovative Entwicklungen 1 keV - 100 MeV: Kernphysikalische Anwendungen 100 MeV - einige TeV: Anwendungen bei Beschleuniger-
Experimenten ⇒ Entwicklung der ‚klassischen‘ Kalorimetrie
100 GeV - >100 EeV: Astro-Teilchenphysik; UHE (Ultra High Energy) Kosmische
Strahlung ⇒Innovative Entwicklungen
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CHARAKTERISTISCHE EIGENSCHAFTEN von KALORIMETERN
• Zahl N der Teilchen in Kaskade N ~ E • Fluktuationen von N (Annahme von unkorrelierter Produktion) ~ • Energieauflösung : ~ ~ ~1/ ~ • Energieauflösung wird mit höherer Energie besser ! • (im Gegensatz zu Impulsmessung Δp/p ~ p) • Länge des Absorbers L ~ Schauermax ~ ln E • Kalorimetrische Messung ist ladungsunabhängig • Einzige Methode, stabile neutrale Teilchen zu messen • Eigenschaften der Absorption hängen von Teilchenart ab • ⇒ Möglichkeit von Teilchenidentifikation (Photon, Elektron, geladene / neutrale Hadronen, Myonen,
Neutrinos) • Relativ schnelle Detektoren ⇒ ‘Trigger’ (Ereignis – Auswahl) • Bei geeigneter Instrumentierung ⇒ Ortsmessung mit mm bis cm
Genauigkeit
NE / E ∆ N/N∆ E / 1/NN
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BEAUTY IN THE EYE OF THE BEHOLDER
Photographie eines 50 GeV/c Elektron – Schauers in L (70% Ne/30%H2) – gefüllter Blasenkammer (BEBC); B=3T ρ = 3.3 p/B δ= 1.2g/cm3 Radiation length X0 = 30 cm Frage: wie gross ist die Summe der Spuernlänge aller Spuren (in cm)? Wie
vergleicht sich diese Zahl mit dE/dx für Ionisation (Bethe-Bloch)? Bei welcher Energie der Teilchen endet Teilchenproduktion?
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ELEKTROMAGNETISCHE KALORIMETER ENERGIEVERLUST : ELEKTRONEN; PHOTONEN
a) b)
Bei hohen Energien: 1/E dE/dx ~ konst. dE/dx = - E / X0; E = E0 exp ( - x / X0 ) ; X0 (LR )…charakteristische Länge , ‘ Strahlungslänge’ Bei einer gewissen Energie ε (kritische Energie) ist Energieverlust durch ionisation und Bremsstrahkung gleich; im Falle von Blei: ε ~ 8 MeV
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Feynman diagrams for Bremsstrahlung and Pair production
Feynman Diagram for Bremsstrahlung in the field of nucleus with atomic number Z
Feynman Diagram for Pair production in the field of nucleus with atomic number Z
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ENERGIEVERLUST DURCH BREMSSTRAHLUNG
lungBremsstraheinE
An
BST|
dxdE
σ⋅⋅=
3/1/2Material
Zmcein
E α>>Für einfallende Energie Eein :
[ ]18/1183ln(4 3/10 += −
MATZlungBremsstrah σσ
Unabhängig von Energie des einfallenden Teilchens
dxlungBremsstrahA
nE
dE⋅σ⋅−=
,
]1[
]2][3[ −
−
Lange
cmcm (-) Verlust an Energie
TeilchensdesMasseLadungmzmc
ezZmit MAT ,...,;4
12
2
22
0
20
⋅=
πεασ
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STRAHLUNGSLÄNGE LR ( X0 )
) 183( 4 3/1A0
1 −− ≈ MatR ZnnL σ
PositronenElektronenfuerZcmgZALR //1] [/180 22 ≈≈ −
UNABHÄNGIG VON ELEKTRONEN (POSITRONEN) ENERGIE
RL/x
0R eEEL/EdxdE −
=→−=
STRAHLUNGSLÄNGE LR (od.X0): DISTANZ, IN DER ELEKTRONEN ENERGIE AUF E-1 REDUZIERT WIRD (DURCH STRAHLUNGSVERLUSTE)
5801140|/| 2
EinMATe
EinMATKOLLISIONBST
EZ
cm
EZ
dxdE
dxdER
⋅=
⋅≈=
‘KRITISCHE’ ENERGIE ε’ : R=1, d.h Strahlungsverluste = Kollisionsverluste ε ≈ 580 / ZMAT (MeV)
nA = [NA(Atome/Mol)ρ(gcm-3)]/A(g/Mol)
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ABSORPTION von PHOTONEN
Als Funktion der Energie des Photons : Photoeffekt; Compton Streuung κnuc : Paarproduktion im Coulomb-Feld des Kerns
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ASYMPTOTISCH, Eγ> > EC
−= −
541) 183( ln
974 3/1
0 MATPaar ZσσBSTPaar
97 σ≈σ
STRAHL VON PHOTONEN WIRD IM HOMOGENEN MATERIAL EXPONENTIELL ABGESCHWÄCHT
)x( expI)x(I0
µ−=
]g/cm[ / 2)Dichte(
"NTSKOEFFIZIEABSORPTIONMASSEN" −=ρµ
)(A
NA
NPaarComptonPhoto
ATotal
A σ+σ+σ≈σ=ρµ
Bremsstrahlung und Paarproduktion haben sehr ähnliche QED Graphen
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HEITLER – ROSSI MODELL : einfaches Modell der Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers
• Modell: WW nach einer freien Weglänge (~ X0) • Zahl d. Teilchen nach t X0 : N (t) = 2t, E (t) = E0/2t
• Schauerbildung bis E < ε : tmax = ln (E0/ ε) /ln2 Nmax = E0/ε • Konsequenz : Nmax proportional ~ E0 Länge für totale Absorption ~ tmax ~ ln E0
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Cloud chamber photo of electromagnetic shower developing in spaced lead plates
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Vereinfachte Beschreibung eines elektromagnetischen Schauers
• Bei hohen Energien ( > 100 MeV): • Emissionswinkel von γ, e+ , e- , sehr klein; longitudinale und
transversale Entwicklung können getrennt behandelt werden • Charakteristische longitudinale Distanz: X0
• Charakterisiert die Physik der Schauerentwicklung • Schauerentwicklung mit stetig größer werdender Zahl von
Elektronen und Positronen, und stetig kleiner werdender Energie • Bei kritischer Energie ε wird Strahlungsenergieverlust =
Kollisionsenergieverlust • Schauerentwicklung unterhalb ε höhrt auf → Maximalanzahl der
Sekundärteilchen erreicht→Schauermaximum • Danach : Absorption durch Kollisionsverluste
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SKALIEREN als FUNKTION der CHARAKTERISTISCHEN LÄNGE : Xo
• ABSORPTION (Longitudinale Verteilung) wird durch Strahlungslänge beschrieben : skaleninvariant, wenn Material durch Strahlungslänge X0 charakterisiert wird
Transversale Ausdehnung: bestimmnt durch Vielfachstreuung niederenergetischer Elektronen (‘Moliere’ Radius) RM(gcm-2) ≈ 21MeV. X0 / ε (MeV)
ε ≈ 580MeV / Z
Absorption von 6 GeV/c Elektronen
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Beispiel
• 10 GeV Elektronen in Blei: • Wie gross ist die kritische Energie? • Wie hoch ist die Zahl der Teilchen aller Generationen bis zur kritischen
Energie? • Nach wie viel Strahlungslängen wird das Maximum des Schauers
errreicht?
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SIGNAL- UND ENERGIE- AUF LÖSUNG IN HOMOGENEN E.M. KALORIMETERN
• HOMOGEN : Signal von gesamten Absorbervolumen erhalten (z.B. Szintillationslicht im Kristall)
• SIGNAL : im ‘Rossi’- Modell eines e.m. Schauers durch die Spurlängen der Elektronen und Positronen bestimmt (durch Ionisation, dE/dx)
• SIGNALABSCHÄTZUNG: Signal (Elektron, Photon) ≈ ≈ Signal (Myon mit selbem
Energieverlust in Absorber) ⇒ Abschätzung richtig zu ≤ 20 % ! • SIGNALFLUKTUATION = >ENERGIEAUFLÖSUNG Abweichung von diesem einfachen, ‘linearen’ Modell; z. B : etwas Energie (1bis 2 %) wird aus Eintrittsebene zurückreflektiert Fluktuationen in der Zahl der niederenergtischen Teilchen ⇒
Saturation, Signal-Nichtlinearitäten,… • INTRINSISCHE ENERGIE AUFLÖSUNG : ; E in GeV E / 0.01 E/ ≈σ
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EIGENSCHAFTEN von KRISTALLEN für EM KALORIMETER
BGO in LEP im L3 Expt. PbWO4 bei LHC im CMS und Alice Experiment
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HETEROGENE (‘SAMPLING’) KALORIMETER
• HETEROGENE K.: zusammengesetzt aus abwechselnd ‘passiven’ Absorberplatten (Fe, Pb,…) und ‘aktiven’ Signalebenen (Szintillator, MWPC,… • VORTEILE : optimale Wahl der Absorbers (z.B : e/π Diskrimination) optimale Wahl der Signalauslese • NACHTEIL : nur ein Bruchteil (~1-10%) der Enerieabgabe gemessen ⇒ Fluktuationen im messbaren Anteil der Energie ⇒ ‘Partialfluktuationen’ (‘Sampling’ fluctuations)
• ‘SAMPLING’ AUFLÖSUNG
• ΔE (MeV)….dE/dx (min.I.) in einer Zelle (Zelle = 1 Absorberplatte + Signalebene
1/2 (GeV)] E / (MeV) E [ 0.05 E / E)( ∆≈σ
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ABSCHÄTZUNG DER ‘PARTIAL‘ FLUKTUATIONEN
SIGNAL: GEGEBEN DURCH e+ e - PAARE, DIE DIE SIGNALEBENEN (ABSTAND d cm) KREUZEN ZAHL DER KREUZUNGEN : N
)( )(
ABSTANDdGESPURENLAENSN S=
=∆
==σ
=σ
EE
NN
N)N(
E)E(
‘PRAKTISCHE EINHEITEN’ = ; jedoch: Paare sind korrieliert; zusätzlicher Faktor √2 )(
)(032.0GeVEMeVE∆
~ E / Δ E , Δ E… Energieverlust in Detektorzelle,d.h. passive (1)+aktive(2) Lagen
Beispiel: Detektorzelle bestehend aus 5mm Fe + 3mm Szintillator ΔE = .5* 8*1.4 + .3* 1* 1.4 MeV ~ 6 MeV Für E = 1 GeV σ(E)/E ~ 0.032 *√2* (6/1)1/2 ~ 0.11 ; σ(E) = 110 MeV
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Von LEP (BGO für L3) zu LHC (PbW04 für CMS,ALICE ): ein NEUER KRISTALL IST ‘GEBOREN’
• Neue Anforderungen :
• wesentlich schnellere Signale ( ~10 ns anstelle von 300ns )
• wesentliche höhere Strahlenbelastbarkeit
• wesentlich höhere Produktionskapazität für Kristalle
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Die Erfolgsstory von PbWO4 (CMS, Alice)
• Historical background • Lead Tungstate (PbWO4) first time introduced as material for HEP in
92 at CRYSTAL 2000 Chamonix Conference by Nagornaya (Kharkhov) and Katchanov (IHEP)
• R&D in Crystal Clear collaboration at CERN since 1992 • First growth technology developed by INP Minsk and transferred to
Bogoroditsk at the end of 92 • PbWO4 chosen as ECAL baseline by CMS und Alice in 1995
• Challenging problem: How to
• Develop technically the crystal production • Install production infrastructure • Mass produce 80’000 crystals (11 m3, 90 tons)
• In less than 10 years • at an affordable price for European tax payers
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CMS Electromagnetic Calorimeter
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CERN-ISTC collaboration for PbWO4 Development
• R&D phase • Project #354 from July 96 to July 98 • Demonstrate that PbWO4 crystals could reach the level of performance
imposed by the very challenging requirements of the experiment
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Transmis
sion (%)
Wavelength (nm)
Theoretical transmission from Fresnel losses
95 crystal98 crystal
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CERN-ISTC collaboration
• Implementation of a new technology for large ingots • Allows endcap crystals (larger) to be grown • Allows higher productivity for barrel and endcaps • CERN-ETHZ contract for 26’000 barrel crystals • Additional contract for 16’000 endcap crystals
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The PET (Positron-Emission Tomography) principle
Detect 511 keV photons from e+ e- annihilation
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Scintillator requirements for Tomography • High density (Z and ρ)
• High stopping power (ρ ) for 511 keV photons • Good photoelectric conversion efficiency (Z)
• Larger field of view • Better image contrast • Larger sensitivity • Better spatial resolution • Reduced dose to patient
• High Light yield
• Better energy resolution and Compton rejection • Increase sensitivity, position and time resolution
• Short decay time
• Reduce dead time and increase count rate • Better coincidence timing resolution and scatter rejection • Better sensitivity • Better image contrast • Reduced dose to patient
• Very good timing resolution
• Allows tighter reconstruction of origin of annihilation
• Affordable price • Challenging topic for Ph. D. work
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New developments Spin-off for Medical Imaging
• PET Tomographs provide functional imaging for • Fundamental research
• Cognitive science • Psychiatry • Transgenesis
• Clinical applications • Oncology and monitoring of cancer therapy • Heart diseases diagnosis
• Pharmacokinetics studies
• New developments: combination with other imaging techniques (e.g.: NMR, Ultrasound) • Precision Timing measurement ( <100 ps) to reduce acidental
coincidences • Miniaturized signal processing for LHC experiments likely to be applied
to the next generation of medical Imaging Technology
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New Scintillators for Nuclear Medicine
Scintillator Density
ρ (g/cm3)
Light Yield
Ph/MeV
Peak emission
λ (nm)
Decay Time
τ (ns)
Hygroscopic
YAlO3 :Ce(YAP) 5.55 16 000 350 30 No
Gd2SiO5 :Ce(GdSO) 6.7 8 000/1 000 440 60 / 600 No
Lu2SiO5 :Ce(LSO) 7.4 27 000 420 40 No
LuPO4 :Ce(LPO) 6.2 13 000 360 24 No
Lu3AL5O12 :Ce(LuAG :Ce) 6.67 3 000/11 000 300 / 500 100 No
Lu3AL5O12 :Sc(LuAG :Sc) 6.67 22 400 275 610 No
LuAlO3 :Ce(LuAP) 8.34 9600 380 11/28 No
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HADRONISCHE ENERGIEMESSUNG
• KONZEPT : wie für elektromagnetische Kalorimetrie, anstelle e.m WW ⇒ starke WW • PRAXIS : Komplexe Kern – und Teilchenphysik beeinflussen in
entscheidender Weise die Qualität der Messung • KOLLISION an ABSORBER – KERNEN : typische Beschreibung ~ 50% der Energie in ‘schnelle’ Sekundär- Hadronen ~ geladene und neutrale Pionen ⇒ diese schnellen Hadronen treiben die
hadronische Kaskade weiter ⇒ N. B : neutrale Pionen ⇒ Photonen ⇒ e.m
Kaskade ~ 50% der Energie in niederenergetische Kernprozesse :
Kernanregung, Evaporation, Spallation,.. ⇒ 1 ≈ 20 MeV Protonen, Neutronen, Photonen ⇒ BINDUNGSENERGIE-VERLUSTE bedeutet nicht-messbare Energie !
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Hadronische Wechselwirkung
Streamer Chamber photograph of 300 GeV pion hadronic interaction, showing large number of secondaries with relatively small transverse momentum
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Vereinfachtes Bild der Entwicklung einer hadronischen Kaskade
Geladenes Hadron Neutrales Hadron (n, π0 → γγ)
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Vielteilchenproduktion an Kernen in einem
hadronischenKalorimeter
N.B. π0 Production transferiert Energie von der hadronischen Kaskade in die e.m. Kaskade: funktioniert wie eine Diode
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EIGENSCHAFTEN der HADRONISCHEN KASKADE
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CHARAKTERISTISCHE EIGENSCHAFTEN HADRONISCHER KASKADEN
ABSORPTION VON HADRONEN
2/.
0
cmAtomedZahl
aABS dxnII ⋅−=∆ σ
= Wechselwirkungsquerschnitt für Absorption ABS
σ
)Mol/g(A)Mol/Atome(N
n La
ρ⋅=
NL …LOSCHMIDTSCH ZAHL = 6.022 X 1023 Mol-1
TOTALER WECHSELWIRKUNGSQUERSCHNITT
ABSORPTIONS W.W. QUERSCHNITT
WW QUERSCHNITT FÜR ELASTISCHE STREUUNG
....tσ
...ABS
σ
...ELσ
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ELTOTABS σσσ −=
)n ( expII axABS0σ−=
1aABSABS)n ( −σ=λ “Absorptionslänge”
1a
TOTKOLL)n( −σ=λ “Kollisionslänge”
CHARAKTERISTISCHE EIGENSCHAFTEN HADRONISCHER KASKADEN
Das Konzept der Absorptionslänge/ Kollisionslänge ist analog zum dem Konzept der ‘Strahlungslänge’; hadronische WW ersetzt die elektromagn. Wechselwirkung
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SKALIEREN DER HADRONISCHEN KASKADE
• ABSORPTION
dXN N N AABS O σ=∆
1AABSABS )N.( −= σλ
)(-x / expN N ABS O λ=
Charakteristische Länge: ‘Absorptionslänge’ Breite der Schauer : <pT> ~0.4 GeV/c Streuung von Neutronen
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TEILCHENSPEKTRA IN EINER HADRONISCHEN KASKADE
-100GeV Protonen in Pb -Integral jeder Verteilung gibt relative Fluenz
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Energieauflösung von Hadronkalorimetern • in hadronischen Kaskaden wird ein bedeutender Teil der
Energie des einfallenden Teilchens in 'nicht sichtbare' (d.h. nicht messbare Energie) umgewandelt • a) Emission yon Nukleonen, verbraucht Bindungsenergie;
dies kann ein sehr hohe (≤ 30%) Bruchteil der Gesamtenergie sein;
• b) in der Kaskade werden durch Teilchenzerfall (z.B. π → μv) Myonen und Neutrinos erzeugt, welche nicht im Kalorimeter absorbiert werden und zur 'nichtsichtbaren' Energie beitragen.
• in hadronischen Kaskaden werden neben geladenen Pionen auch neutrale Pionen erzeugt, welche jedoch nach sehr kurzer Zeit (~10-15 bis 10-14 Sek) in zwei Photonen zerfallen: πo → γ γ. In jeder hadronischen Kaskade wird also auch eine EM Kaskade entstehen.
• Diese Komponenten sind energieabhängig, wie Modellrechnungen zeigen (und folgen natürlich auch aus der Physik der Kaskade : je höher die Energie, umso höher die Anzahl der Kollisisonen, umso höher die Zahl der erzeugten neutralen Pionen )
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CHARAKTERISITISCHE KOMPONENTEN : ENERGIE-ABHÄNGIGKEIT
• geladenes Hadron ⇒ ⇒ neutrales Pion: hadronische Energie in elektromagnetische Energie transferiert; ist ein ‘Ein-Weg-Prozess’, wie in einer ‘Diode’
• e.m Komponente steigt mit zunehmender Energie an
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HADRONISCHE ENERGIE AUFLÖSUNG
AUFLÖSUNG: dominient durch Fluktuationen in der Produktion neutraler
Pionen ⇒ e.m Kaskade SIGNALVERHALTEN: bestimmt durch niederenergetische Neutronen und
Photonen, die i.A sehr verschiedene Signale relativ zu schnellen geladenen Teilchen verursachen ⇒
Anteil der hadronischen Kaskade kann abgeschätzt werden mit ‘e / h’ – Verhältnis : i.A. nicht ~ 1, sondern ~ 1.4
2 4 6 8 10 12
10 GeV π+(-)
10 GeV electron
Contributiondue to e.m.component
Signal (in energy units) obtained for a 10 GeV energy deposit[GeV]
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‘e/h’ : INDIKATOR für das VERHALTEN der HADRONISCHEN KASKADE
• ‘e/h’ = 1 Kalorimeter linear als Funktion der Energie
Energieauflösung (intrinsisch)
• ‘e/h’ ≈ 1.4 [typisch] - nicht linear
• Sampling Fluktuationen
GeV][ E 0.2 E/ -1/2≈σ
-1/2 E 0.45 E/ ≈σ
1/2MeV (GeV)] E/e[ 0.09 E/ ∆≈σ
CDHS 1981 (Fe/scintillator)
HELIOS 1987 (U/scint.)CDHS (after off-line weighting)
WA 78 1987 (U/scint.)
CDHS 1981 (Fe/scint.)
HELIOS ( 238U/scintillator)CDHS (after off-line weighting)
WA 78 (238U/scintillator)
ENERGY RESOLUTION
SIGNAL LINEARITY FOR π- DETECTION
a)
b)
1.0
1.1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
0 20
10 10050 200
40 60 80 100 120 140 160 180 200 220E (GeV)
Eπ (GeV)
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Abstimmung von e/h : Optimierung der Auflösung
Neutronen sind Mass für den hadronischen Anteil in der Kaskade; der Signalanteil kann durch die Dicke des Neutronen-empfindlichen Szintillators beeinflusst werden:Neutronen werden in einem Bruchteil eines Millimeters Des Szintillators absorbiert;bei grösseren Dicken bleibt der Anteils des Neutronen- Signals unverändert, der der geladenen Teilchen wächst mit der Dicke linear an Der Einfluss der Fluktuatian der neutralen Pionen wird kompensiert und Energieauflösung verbessert:
-1/2 E 0.2 E/ ≈σ
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TEILCHENIDENTIFIKATION mit KALORIMETERN
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KALORIMETERAUSLESE : KRITERIEN UND METHODEN
AUSLESEKRITERIEN • Linearität; Rauschen; Uniformität Zeitverhalten; räumliche Granularität; Kalibrationsmöglichkeit; Stabilität;… ⇒ Messgenauigkeit für LHC Experimente: ≤ 0.5% bei hohen
Energien es gibt keine ‘beste’ Auslesemethode; nur eine dem
Messproblem optimal angepasste Methode AUSLESEMETHODEN • Optische: Szintillation (Kristal, Szint./Metall) Cherenkov (Pb – Glas; Quartz – Fiber/ Metall) • Ladung: Gas-Detektoren (MWPC; ‘Streamer’ Röhren..) Ionizationsdetektoren Flüssig Ar, Kr, Xe Si – Detektoren (für NLC studiert)
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AUSLESEMETHODEN : SCHEMATISCH
Moderne Aspekte: Unkonventionelle Auslesegeometrien um experimentelle Anforderungen und/ oder Kosten zu optimieren
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AUSLESE VON SZINTILLATOR SANDWICH MIT “WELLENLÄNGENSCHIEBERN”
- SZINTILLATORLICHT – DURCH INTERNE REFLEKTION – AN RAND DER SZINTILLATORPLATTEN GELEITET - ÜBER LUFTSPALT (OHNE OPTISCHEN KONTAKT!) TRITT LICHT IN DEN WELLENLÄNGEN-SCHIEBER - LICHT WIRD MIT HOHEM WIRKUNGSGRAD ABSORBIERT UND BEI LÄNGEREN WELLENLÄNGEN λ RE-EMITTIERT - ca.16% DES LICHTES DURCH WELLENLÄNGEN-SCHIEBER IN PHOTOMULTIPLIER
Emission im Szintillator (PBD), Absorption und Emission im Wellen- Längenschieber (BBQ) als Funktion der Wellenlänge
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Das weltbeste hadronische Kalorimeter: Zeus bei HERA/DESY
Physikprogramm: Präzisions- Messung der tief-inelastischen Streuung: Struktur des Protons: Präzisions-Messung von Quarks, i.e. Jets Szintillator/Uran-Platten Mit ‘Wellenlängen-Schieber Auslese; 3-fach longitudinal unterteilt Zur Elektron/Hadron Diskriminierung Auflösung : σ / E ~ 0.35 /√ E (GeV)
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![Page 51: Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern ...€¦ · Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern Sommersemester 2012 Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022050717/5e153df905d6154bf55c2b54/html5/thumbnails/51.jpg)
BEISPIEL für KALORIMETER OPTIMIERUNG
EM Kalorimeter: Flüssig Argon: Hohe Granularität Hohe Strahlenhärte Hadaron-Kalorimeter Fe-Szintillator : Kleinere Granularität Kleinere Strahlenhärte
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DIE AKKORDEON-GEOMETRIE: TRICKS mit ELEKTRODEN..
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DETAILS der AKKORDEON GEOMETRIE
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ATLAS AKKORDEON: TRANSVERSALE und LONGITUDINALE GRANULARITÄT
Strips : für Lokalisier- ung von Schauern;z.B Photonen von Higgs → γγ 2-fache long. Segmen- tation für em/Hadron- Schauer Diskrimination
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The ATLAS Electromagnetic LAr Calorimeter
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The first half EM Barrel Calorimeter Cylinder during insertion into cryostat
• Was extensively tested and and commissioned using Cosmics n
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Mass resolution (mH=100 GeV, high Luminosity):
ATLAS : 1.3 GeV CMS : 0.7 GeV (crystals)
mσ1 ~
BS
Acceptance ( ): ≈ 25% larger in ATLAS
CMS: -- B= 4T : 30% of γ → e+e- lost, some others in the tails of mass spectrum -- no longitudinal segmentation of ECAL → vertex measured from tracks in barrel Note : σZ ~ 5.3 cm at LHC
CMS, full simulation high Luminosity Photons from H → γγ
ATLAS, full simulation Vertex resolution using EM calo longitudinal segmentation
Photons from H → γγ
(ATLAS) B
S 1.1 ~ (CMS) B
S
binmass εεγ ×
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UNKONVENTIONELLE GEOMETRIEN : ATLAS TILE CAL
• MESSAUFGABE : • Messung der hadronischen Energie hinter Akkordeon Kalorimeter Auslese des Szintillator-Plättchen mit
‘Wavelength Shifter’ Fibern (WLS) • Energieauflösung: dE/E ~ 0.5 /√E ; ok • Interessante Ereignisse haben hohe (≥ 200 GeV) Energien; Energieauflösung ausreichend gut •Wichtig war ökonomische Konstruktion ⇒Szintillator / Metall aber unkonventionell
Sandwich in Teilchenrichtung.
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Atlas Tile calorimeter: Einsetzten der WLS Fibern
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ATLAS Tile Calorimeter pre-assembly
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LAr hadronic end-cap calorimeters during assembly The LAr hadronic end-cap series production finished, all 134 modules (including spares) have been completed.
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BEISPIEL für AUSLESE mit PROPORTIONAL-KAMMERN ALEPH ELEKTROMAGNETISCHE KALORIMETER
Diese Auslesemethode wird häufig zur Instrumentierung sehr grosser Detektoren ( z.B. Neutrino-Detektoren) verwendet, da relativ billig
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TIEF-TEMPERATUR – KALORIMETER
MOTIVATION • Genaue Meßung kleiner (0.1ev – 10keV) Energiebeträge für WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, Kandidaten für Teilchen,
welche Dunkle Materie sein könnten); energetische Photoenen (multi-eV -Bereich) in Astronomie
• LÖSUNG
• Detektoren, deren ‘fundamentale’ Anregung sehr niederenergetisch ist;
z. B -Phononen im Kristall (~ μeV) -Aufbrechen von Cooper – Paaren in Superleitern (≤ meV) • RESULTAT
Verbesserte Energieauflösung ⇒ Röntgenastronomie
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BEISPIEL 1 : TIEF-TEMPERATUR - BOLOMETER
• Sehr aktive F & E; mehrere Methoden aktiv studiert • Beispiel : Tieftemperatur – Bolometer
• Meßprizip : Temperaturanstieg • Debye Gestz für Wärmekapaz. C C (Gitter) ~ T3 ⇒Betrieb im mKelvin – Bereich ⇒Energie auflösung beeinflußt von Phononenfluktuationen σ(E)~ 1eV für ~ 1 keV Deposit
C / (Wame) Q (emp) T =∆
Ð +R
I
V
C
g
TB
Absorber
Thermometer
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BEISPIEL 2 : DETEKTOREN für DUNKLE MATERIE SUCHE (Weakly Interacting Massive Particles; ‘WIMP’)
• Direkter Nachweis möglich durch gleichzeitige Messung von zwei der drei folgenden Parameter (um Untergrund ausreichend zu unterdrücken): • Szintillation • Ladung • Erwärmung
•
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BEISPIEL 3 SUPERCONDUCTING TUNNEL JUNCTIONS (STJ)
Meßprinzip : • Energiedeposit bricht Cooper – Paare (‘Excess Carriers’, N0):
•Lokale Unterbrechung der Supraleitfähigkeit
• Junction ist Absorber und Detektor • z. B : in Ta für Photonen mit λ = 1 nm
[~1 keV] : N0 ~ 106 • Prototypen installiert im William Herschel Telescope • Revolution in der Astronomie
Nb optical data100
10
1
0.1
0.1 1 10 100 1000
0.01
0.001
Tantalum UV/Optical/NIR data
Tantalum array X-ray data Niobium STJ
Tantalum STJ
Molybdenum STJ
Hafnium STJ
Photon wavelength (nm)
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CITIUS, ALTIUS, FORTIUS
FÜR ASTROTEILCHEN-STUDIEN • Atmosphäre als Kalorimeter : ~ 28 Xo; 16,6 λ Messung von Fluorenszlicht : Fly’s Eye, HiRes Messung von Cherenkovlicht : Hegra, Magic, Hess,.. In Zukunft
möglicherweise CTA Instrumente an Erdoberfläche : CASA, AUGER,… • Meer (See) wasser als Kalorimeter Messung von Cherenkovlicht : Anlage im Baikal-See, Nestor, Antaras, KM3NeT • Eis (Antartik) Messung von Cherenkovlicht : Armanda
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Complementary Techniques
• Atmospheric Cherenkov/ Fluorescence Telescopes:
• Small Field of View • Low duty cycle • High rejection • High resolution
φ 1
φ 2
φ3
φ 4
8 meters
e µ γ
80 meters
50 meters
Milagro Cross Section Schematic 4 r.l.
16r.l.
Sampling experiments (Water Cerenkov, Particle Arrays,…) Large Field of View High duty cycle Poor rejection Poor resolution
Long term survey instruments Detailed study of a few sources
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STACEE MILAGRO
TIBET ARGO-YBJ
PACT
GRAPES
TACTIC
VERITAS
MAGIC
H.E.S.S. CANGAROO
TIBET MILAGRO STACEE
TACTIC
Very High Energy γ-ray World
• Complementarities between imagers and survey instruments
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- 85°
+65°
Galactic Centre
~6° Significance of γ-ray excess
2004-07, 40 sources, scale saturated at 20 σ
HESS Galactic Plane Survey Vertical Scale : 0.3 deg RMS ~ Molecular Gas
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Neueste Entwicklungen
• H.E.S.S.-II: one 28m telescope (early 2009)
• Lower threshold in single telescope (∼ 10 GeV) (new source classes)
• Improved sensitivity in hybrid mode (∼ 50 GeV)
• Magic II: stereoscopic system (operational since Mid 2008)
• Stereoscopy!
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Longer term perspective (I)
• Large observatories (CTA, AGIS) • > 50 telescopes • Factor 10 in performances • Increased energy coverage
Not to scale !
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HIRES – the Air Shower Fluorescence Detector
• View of HIRES 2 site
• 2 sites, 12.5 km apart
• Stereo observation of showers
• Dugway proving grounds, Utah, USA
• 120o W, 40o N • Vertical
atmospheric depth 856 g/cm2
The Calorimeter With Air As Active Medium and Active Volume of More Than 1013 m3
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The Active Volume of the Calorimeter • Detector is sensitive to UV-light produced by air showers • N2 fluorescence dominates up to 20 km altitude • Threshold energy for stereo observation is ~ 5x1017 eV • Showers with energy over 1019 eV trigger detector from up to 50 km • Aerosols in the air monitored by UV-laser shots (visible up to 50 km)
Air over desert of Utah
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One of 21 Buildings at Hires 2 Site
• 2 telescopes with photomultiplier cameras in front of the mirrors are visible (total 42 telescopes at HIRES 2, 22 at HIRES 1)
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The PM Cluster of the Telescope With UV-filter Open
• Similar telescope optics at both sites • ~ 1o solid angle per PM • HIRES 2 - FADC electronics samples
shower development every 100 ns (~ 30 m) • HIRES 1 – sample&hold electronics; 1
sample/deg • Photometric scale defined by calibrated light
source and cross-checked by the field fired UV-laser shots
• Stability of photometric scale monitored by UV-laser pulses distributed by fibers
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High Energy Shower (~5.3x1019 eV)
• Next slides show examples of the well measured distant shower • Shower is viewed by both detector sites • Stereo reconstruction of the shower geometry • Errors: in distance of shower < 1%, in direction of shower axis < 1o • Longitudinal profile fit - Geisser-Hillas parameterization • The lower part on slides C, D, E shows the total measured signal and
deconvoluted contributions from the following light sources : scint - air fluorescence light generated by charged particles cerenk - Cerenkov light directly visible by telescope rayl - Cerenkov light scattered towards telescope by air
molecules aero - Cerenkov light scattered towards telescope by aerosols • The upper part shows the reconstructed longitudinal shower profile
(consistent with the above light sources)
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High Energy Shower (~5.3x1019 eV)
• Results of the fit to the HIRES 1 measurement
• Upper part : reconstructed number of charged particles in the shower versus depth of the shower
• Lower part : measured number of photoelectrons versus depth of the shower
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High Energy Shower (~5.3x1019 eV)
• Results of the simultaneous fit to the measurement by both HIRES 1 & HIRES 2 sites
• Two independent fits and simultaneous fit to measurement at both sites yield a consistent estimate of the shower parameters
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Auger • Hybrid detector
• 1600 tanks over 1000 km2
• 4 fluorescence detectors with 6 telescopes each
1600 Water Č-Detectors
4 Fluorescence Sites
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Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR)
• Energy spectrum • Composition • Direction
sola
r mod
ulat
ion
∝E−2.7, mostly protons
∝E−3.1,
> 10 orders of magnitude
30 o
rder
s of
mag
nitu
de
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sola
r mod
ulat
ion
∝E−2.7, mostly protons
∝E−3.1
> 10 orders of magnitude
30 o
rder
s of
mag
nitu
de
Structures in the CR spectrum • Somewhat inconclusive picture • Different experiments/techniques • Many things to understand!
Knee 2nd knee? Dip/Ankle GZK?
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The Greisen- Zatsepin- Kuzmin Cutoff
• Interaction of ultraenergetic cosmic rays (protons) with photons of the Cosmic Microwave Background, CMB) • For protons above production threshold (5* 1019 eV) • γCMB + proton → Δ + anything → proton (or neutron) + π
• Energy cutoff @ 1019.7 eV : extragalactic protons above threshold
traveling more than 160 Mly (million light years) should not reach the earth
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GZK Cutoff ? • Energy cutoff @ 1019.7 eV • At the same energy, appearance of anisotropies (Anisotropy
signal maximum where flux divided by two) • Naturally leads to GZK interpretation
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Auger results (February 2010): GZK Cutoff ?
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Teilchenkomposition und Schauer-Maximum
Energie-Abhängigkeit des Schauer – Maximums
• Lmax = ln E (particle) • Schauer Maximum kann in den Fluoreszenz (oder Cherenkov)
Teleskopen gemessen werden
• Wenn Teilchen ein Kern mit Energie E aus N Nukleonen besteht
• Kern nach einigen wenigen Kollisionen in Nukleonen aufgebrochen • Lmax annähernd mit ln E/N
• Analyse des Schauer-Maximums gibt Hinweis auf Teilchenkomposition
der Höhenstrahlung
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Auger results (February 2010): change in composition ?
Primary Energy (eV)
Indication of change of shower maximun location vs energy;could imply change in composition (from protons to iron; evidence is NOT conclusive!)
![Page 88: Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern ...€¦ · Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern Sommersemester 2012 Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022050717/5e153df905d6154bf55c2b54/html5/thumbnails/88.jpg)
Perspectives (I) • Larger network for investigating the highest energies: Auger North +
JEM-EUSO Telescope on ISS (2013?) • Upgrade of existing networks (HEAT, AMIGA…) • Low energy extensions toward the knee (Tel. Array) • A lot of R&D in other detection techniques (Shower-initiated Radiowave-
Emission!)
Vertical Mode
![Page 89: Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern ...€¦ · Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern Sommersemester 2012 Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022050717/5e153df905d6154bf55c2b54/html5/thumbnails/89.jpg)
Die vielen Facetten unseres Universums
Radio (atomic hydrogen)
Radio (molecular hydrogen)
Infrared
Optical
Hard X-rays (Integra
Gamma (GeV)
Gamma (TeV)
Softs X-rays
UHECR ??
![Page 90: Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern ...€¦ · Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern Sommersemester 2012 Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022050717/5e153df905d6154bf55c2b54/html5/thumbnails/90.jpg)
Zusammenfassend • Viele verschiedene experimentelle Aktivitäten • Entwicklung von Konzepten, welche Verständnis der Quellen der kosmischen
Strahlung und Teilchenphysik jenseits der LHC Energien erlauben • Öffnung neuer Fenster ins Universum
71
2010 2000
![Page 91: Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern ...€¦ · Teilchendetektoren Energiemessung mit Kalorimetern Sommersemester 2012 Christian W. Fabjan, TU Wien und ÖAW](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022050717/5e153df905d6154bf55c2b54/html5/thumbnails/91.jpg)
ENERGIEMESSUNG : Zusammenfassung
Anwendung von Kalorimetern Auf Grund der Messeigenschaften Messung von neutralen und geladenen Teilchen Messgenauigkeit verbessert mit 1/ √ E sind Kalorimeter wichtige Bausteine für Teilchenphysik-Experimente Verständnis von Kalorimetern Physik der kalorimetrischen Energiemessung ist gut verstanden Erlaubt Optimierung der Messvorgänge ( Energie, Ort, Winkel) Entwicklung von Kalorimetern Vielfältige Entwicklungsarbeiten für den experimentellen Gegebenheiten
entsprechend optimale Instrumentierung Optimum : jeweils den Experimentierbedingungen angepasst Innovative neue Entwicklungen Tieftemperatur-Kalorimeter Mega-Kalorimeter für Kosmische Strahlungsforschung