September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
1
R&D für ein hadronischesKalorimeter für den Linearcollider
Marius GrollUniversität Hamburg
36. Herbstschule für HochenergiephysikMaria Laach 2004
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
2
Inhalt
• Der Linearcollider• Physikalische Motivation• Kalorimetrie am Linearcollider• Aktuelle Studien & Prototypen
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
3
•e+e- Kollisionen• = 91 GeV - 1 TeV•Integrierte Luminosität: ~500 fb-1 pro Jahr•Länge: 30 - 40 km•Supraleitende Beschleunigungstechnologie/Niobresonatoren mit Gradienten von35 MeV/m•Entwicklung des Designs für den ILCbis Ende des Jahres 2007•Start des Experiments: 2015
Linearcolliderlinear accelerator
electron−positron collision
high energy physics experiments
electron source
positron source
aux. positron and2nd electron source
damping ring
damping ringpositron
preaccelerator
e−
e+
e−
s
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
4
• Entdeckungen und Präzisionsmessungen
• Seltene Prozesse→ Limitierte Statistik
• Endzustände mit schwerenBosonen W, Z, H• Rekonstruktion derhadronischen Zerfallskanäleist wichtig
Multi-Jet Ereignisse
Physik am LC
ZHH500 events
= 500 GeV
500 fb-1/Jahrs
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
5
WW / ZZ Trennung
• Herausforderung: Trennung von W and Z im hadronischen Zerfallskanal
e+ e- → ν ν W+ W- → ν ν qqqqe+ e- → ν ν Z Z → ν ν qqqq
• Neutrinos verhindern kinematischen Fit
→ Teilchenseparation & Energieauflösung sind essentiell
LC Designziel
%30=α
%60=αMasse j3 j4 GeV
Masse j1j2 GeV
Ziel: σ/E = 30%/√E
LEP Detectorν
ν
EWSB Mechanismus
Unitaritäts-verletzungbei ~1.2 TeV
σ/E = α/√E
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
6
Kalorimetrie am LC
62 % geladene Teilchen : 26 % γ : 10 % KL,n : 2 % ν
Woraus setzt sich ein Jet zusammen?
Was können die Kalorimeter davonexklusive messen?ECAL: Photonen γHCAL: Energie-rekonstruktion derneutralen Teilchen
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
7
„Particle Flow“ Konzept
Ejet = Egeladen + EPhotonen + Eneutr. Had.σ2
Ejet = σ2Egeladen + σ2
EPhotonen + σ2Eneutr. Had. + σ2
Konfusion
Ejet = 100 GeV: σ/E = 190 MeV + 900 MeV + 3 GeV + σ2Konfusion
σ2Ejet = (0.14)2 (Ejet GeV) + σ2
Konfusion Idealσ2
Ejet = (0.30)2 (Ejet GeV) realistisch
Idee: Rekonstruktion der einzelnen Teilchen im Jet
Auflösung wird durch Konfusion(überlappende Schauer) dominiert→ Feine Segmentierung wichtiger als Energieauflösung
→ Tracking-Kalorimeter:
hohe Granularitätbeider Kalorimeter
γ
KL,n
π
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
8
Hadronische Schauer
Rekonstruktion der inneren Struktur:
Hits → Cluster → SchauerCluster/Hit Typen:
•EM-Subschauer mit hoher Hitdichte
•Hadronische Cluster von Kerninteraktionen
•MIP Cluster: Linie von Hits deren EnergiesummeMIP-kompatibel sind
•Neutronen: niedrig energetische separierteNeutronen ausA(n,γ) oder np→np Reaktionen
Besseres Verständnis von hadronischen Schauern ist
notwendig!Modelle machen signifikant
unterschiedliche Vorhersagen
π+ 5 GeV
π+ 5 GeVKL
0 5 GeV
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
9
Physik-PrototypCalice Projekt:
•1 m3 Tile HCAL Prototyp•Gesamtgewicht: ~6t•Hadronischer Teststrahl mit ECAL 2005/06•ECAL: Tungsten-Silizium Sampling Kalorimeter (40 Ebenen, 1x1 cm2)•Test von einem System mit hoher
Kanalanzahl → Elektronik•Analoge & DigitaleAuslese•Test des “Particle Flow” Konzepts
5m
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
10
PPT: Geometrie
1 m2 mit 220 tiles
• 38 Ebenen
30 * 220 tiles+ 8 * 145 tiles= 8000 Analoge
Kanäle• Auslese mit
SiliziumPhotomultiplier (SiPM)
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
11
HCAL:Innerhalb vom 4T Magnetfeld160000 – 800000 KanäleSamplingstruktur mit Stahl als Absorber und…
digital vs. analog• Analoges HCAL (Tile HCAL)
laterale Segmentierung: 5x5 cm2
Szintillator als aktives Material
• Digitales HCALHöhere laterale Segmentierung: 1x1 cm2 aber digitale AusleseOptionen für das aktive Material:Szintillator oder Gas
TPCTPC
ECALECALHCALHCALKalorimetrie am LC
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
12
Ziel des ersten Prototypen
Detektor-Hardware verstehen!MiniCal ist der erste Prototyp für Tests am Konzept eines feinsegmentierten Tile-Kalorimter:
- Optimierung der Lichtausbeute- Tile Gleichförmigkeit- neue Photodetektorkonzepte- MIP Kalibration- Stabilitätsstudien- MC Simulation
MiniCal wird seit Mai 2003 am DESY e-Teststrahl betrieben:1 – 6 GeVIn Zusammenarbeit mit verschiedenen Instituten: HH-Universität, DESY, MEPHI, Prag, LPI, ITEP
97% desSchauersin 11 Ebenenenthalten
e+ 1-6 GeV
A-HCAL: Prototypen am DESY
2 cm Stahl
0.5 cm Szintillator
0.1 cm Ø WLF
Kassette
100 Kanäle
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
14
A-HCAL: Szintillator RO
Tile Größe: 5x5x0.5 cm3
1-loop oder curve-diagonalWLS-Faser in einer Fuge
Jedes tile mit 3M Reflektor umgeben
Konventionelle Kopplung:
Direkte Kopplung
MAPM, APDMAPM, APD
SiPMSiPM GeringereVerluste beimLichttransport
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
15
Test von 3 Photodetektoren
Photomultipliertubes (PMT):• bester und bekanntester Photodetektor• funktioniert nicht im Magnetfeld
Avalanche Photodiode:• bereits am CERN erfolgreich eingesetzt• Größe: 3x3 mm2
• Verstärkung ~ 200 Vorverstärkertest
Silicon PhotoMultiplier (SiPM)MEPhI&PULSAR
Silizium Photo-Multiplier (SiPM):• neues PD Konzept, erste Teststrahlmessungen• Größe: 1x1mm2, 1024 Pixels/mm2
• Verstärkung ~1*106
kein Vorverstärker notwendig• direkte Kopplung am Tile
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
16
MIP KalibrationSiPM
PMT
APD
Gauss Landau
σMIP
MIP/σped = 30
MIP/σMIP = 3.7
MIP := MPV - Pedestal
SiPM: Gute Trennung vom Pedestal& wenig Noise
MIP/σped = 17
MIP/σMIP = 4
MIP/σped = 10
MIP/σMIP = 4
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
17
Ereal
Deponierte Evon GeantDeponierte Evon Geant
PhotodetektorPhotodetektor ADC ADC
EMIP MIP●Verschmierung der # PhE
# MIPs = # PhE = # MIPs * PhEADCch = # PhE * ADC
Ereal
PhE
● Material● Geometrie
● PhE / MIP angepaßt an die Breite des MIP Signals
● ADC / PhE angepaßt an die Position des MIP Signals● Anwendung der gleichenKalibration wie für die Daten
EMIP = 810 keV
Simulationskette
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
18
Schauerrekonstruktion
MIP0 5 10 15 20
# E
ntrie
s
1
10
102
103
MIP0 5 10 15 20
# E
ntrie
s
1
10
102
103
104
MIP0 5 10 15 20
# E
ntrie
s
1
10
102
103
MIP0 5 10 15 20
# E
ntrie
s
1
10
102
103
104
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103
MIP0 5 10 15 20
# E
ntrie
s
1
10
102
103
104
MIP0 5 10 15 20
# E
ntrie
s
1
10
102
103
MIP0 5 10 15 20
# E
ntrie
s
1
10
102
103
104
MIP0 5 10 15 20
# E
ntrie
s
1
10
102
103
MC Data
Layer 5
MCDaten
6 GeV e-
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103 Layer 1
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103
Layer 2
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103
Layer 3
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103
Layer 4
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103
Layer 5
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103
Layer 6
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103
Layer 7
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103 Layer 8
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103 Layer 9
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103 Layer 10
MIP0 50 100
# E
ntrie
s
1
10
102
103
104
Layer 11
MC Data
Laterales Schauerprofil Longitudinales Schauerprofil
zunehmende Tiefe
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
19
MiniCal Ergebnisse
E (GeV)0 1 2 3 4 5 6
MIP
N
020406080
100120140160180200220240
SiPM: 37.9 MIP/GeV
MC SiPM: 38.3 MIP/GeV
MC ideal: 37.9 MIP/GeV
• Gute Übereinstimmung zwischen SiPM, APD und PMT• MC mit Detektorsimulation reproduziert die Daten
Zum Beispiel: Linearität & Energieauflösung der SiPM Daten
Preliminary
E (GeV)1 2 3 4 5 6
(%)
Eσ
8
10
12
14
16
18
20
22
24 sipma 20.74 sipmb 2.603
sipma 20.74 sipmb 2.603
mc sipma 19.57 mc sipmb 2.717
mc sipma 19.57 mc sipmb 2.717
mca 18.31 mcb 2.704
mca 18.31 mcb 2.704
SiPMMC SiPMMC
b ;⊕ Ea(%) =
Eσ Fit: •
September 2004 Maria Laach Herbstschule Marius Groll Universität Hamburg
20
Zusammenfassung
• Die Physik am Linearcollider ist eine große Herausforderung fürdie Kalorimetrie
• es gibt weltweite R&D Anstrengungen
• neue Techniken wie z.B. der SiPM sind erfolgreich getestetworden
• eine interessante Teststrahlzeit liegt vor uns, um unsereKalorimeterkonzepte und das “Particle Flow” Konzept zu testen
Top Related