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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik
www.kit.edu
HauptseminarMethoden der experimentellen Teilchenphysik
Elektromagnetische und hadronische KalorimeterWS 2011/2012
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik2 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Übersicht
Kalorimeter aus der Schule
Kalorimeter in der Teilchenphysik
Elektromagnetische KalorimeterSandwich-Kalorimeter
Homogen-Kalorimeter
Flüssigargon-Kalorimeter
Hadronische Kalorimeterkompensierende Kalorimeter
Kalorimeter in der Teilchenphysik
CMS
ATLAS
Soweit nichts anderes angegeben, stammen die Bilder von cern.ch
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik3 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Kalorimeter aus der Schule
zur Messung von Wärmemengen
bei physikalischen, chemischen oder
biologischen Prozessen
damit kann die spezifische Wärme-
kapazität eines Stoffes bestimmt werden
Energieerhaltung wird ausgenutzt
Bild: Monroe-Hopkins-Kalorimeter, gemeinfrei
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik4 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Kalorimeter in der Teilchenphysik
es gibt Kalorimeter für elektromagnetische und hadronische TeilchenVerschiedene Arten der Wechselwirkung (elektromagnetische und starke)
nach Möglichkeit kommt das Teilchen nicht mehr herausvollständiges aufschauern
gemessene Energie proportional zur Energie des einfallenden Teilchens
Leckverluste in longitudinaler Richtung schlechter für Messung als transversal
Kalorimeter muss hinreichend dick konzipiert werden
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik5 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Elektromagnetische Kalorimeter
###BILD###
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik6 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Elektromagnetische Kalorimeter
Es gibt mehrere Arten von elektromagnetischen KalorimeternSandwich-Kalorimeter
Homogene Kalorimeter
Flüssigargon-Kalorimeter
Elektronen und Positronen erzeugen Bremsstrahlung
diese erzeugt durch Paarbildung wieder ein e-e+-PärchenKaskade von Photonen, e und e+
nach n Schichten 2^n Teilchen
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik7 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Elektromagnetische Kalorimeter
Konversionsschicht aus Material mit möglichst großem Z (z. B. Blei)
Strahlungslänge 1/Z²
kritische Energie 1/Zdie Entwicklung der Kaskade bricht ab, sobald die Energie kleiner als die kritische Energie wird
Keine neuen e-e+-Paare
Optimale Auflösung bei einer Dicke von 20 Strahlungslängenmit 98 % Wahrscheinlichkeit ist die Energie bereits nach 5 Strahlungslängen deponiert
∝∝
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik8 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Sandwich-Kalorimeter
Konversionsplatten und Szintillationszähler wechseln sich ab
Energieauflösung:
die Konversionsschichten sind möglichst dünn, um Fluktuationen in der deponierten Energie gering zu halten
typisch: 2 mm Blei und 5 mm Szintillator → ~ 40 cm dick
σE
≈ 0,1√E
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik9 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Homogene Kalorimeter
Als Material wird entweder ein anorganischer, szintillierender Kristall mit hoher Kernladungszahl (z. B. BGO, CsI, NaI, …)
oder ein nicht-szintillierender Cherenkov-Zähler (z. B. Blei-Glas, Blei-Fluorid) verwendet.
ganzes Kalorimeter ist sensitivgeringe Energiefluktuationen
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik10 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Homogene Kalorimeter
szintillierende KristalleEnergieauflösung NaI:
Energieauflösung BGO:bei nur 8% der Lichtausbeute von NaI
Cherenkov-ZählerEnergieauflösung:
ζ: Verhältnis von Photokathodenfläche zu Zähleraustrittsfläche
Beispiel: 208 Blöcke (je 36 x 36 x 420 mm³)
σE
≈ 0,0284√E
σE
≈ 0,025√E
σE
≈0,006+ 0,03√ζ E
σE
≈0,006+0,053√E
, ζ=0,35
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik11 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Flüssigargon-Kalorimeter
Ionisationskammer
1 bis 2 mm dicke Bleiplatten senkrecht Einfallsrichtung
Energieauflösung:
Jedoch recht lange Sammelzeit (~ 1 μs)→ Akkordeon-Kalorimeter
σE
≈ 0,12√E
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik12 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Akkordeon-Kalorimeter
Kapazität der Ausleseelektroden recht klein
Vorverstärker direkt mit Elektrode verbunden und in Flüssigkeit
Sammelzeit ~ 30 ns
vollständige räumliche Abdeckung
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik13 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Flüssigkrypton-Kalorimeter
Aufbau gleich dem Flüssigargon-Kalorimeter
jedoch verzicht auf den Bleiabsorber, dadurch sämtliche Energie für Messung verwendbar
Strahlungslänge von Krypton: 4,6 cmim Vergleich: 14,0 cm bei Argon
Länge des Photodetektors am Cern: 125 cm (27fache Strahlungslänge)Energieauflösung:
Zeitauflösung: 250 ps
Gewicht: 22,8 t
noch besser wäre ein Detektor mit FlüssigxenonStrahlungslänge: 2,87 cm
sehr teuer
σE
≈ 0,032√E
⊕0,0042
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik14 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Hadronische Kalorimeter
###BILD###
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik15 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Hadronische Kalorimeter
Sandwich-Kalorimeter → Konversionsplatten und Szintillationszähler
nukleare Absorptionslänge entscheidendBlei: 18,5 cm, Eisen: 17,1 cm, Uran: 12,0 cm
→ groß und schwer
in 10 Absorptionslänger wird ca. 99% der Energie deponiert: ~ 1,8 m dick
Energieauflösung: σE
≈ 0,7−0,8√E
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik16 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Hadronische Kalorimeter
Verlust von Schauerenergie nicht nur durch LeckverlustTeilchen können aus dem Kalorimeter entweichen
Myonen und Neutronen; ~ 1% Energieverlust
inelastische StößeKerne des Absorbers werden angeregt,
gespalten,
oder in langsamere Bruchstücke zerlegt (Spallation).
→kompensierende Kalorimeter
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik17 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
kompensierende Kalorimeter
Verbesserung der Energieauflösung durch Anpassung der Signalgrößen von elektron- und hadroninduzierten Schauern
bei Spaltung frei werdende Energie wird genutztUran/Szintillator-Kalorimeter 3:2,5
Energieauflösung:
wasserstoffhaltige DetektormaterialenBlei/Szintillator-Kalorimeter 4:1
Reduzierung der Fluktuationenelektromagnetischer Schauer bei Plattenstärke von 5 cm (Fe) recht kurz
Einfluss wird durch Gewichtungsfaktor unterdrückt
Energieauflösung:
σE
≈0,35√E
σE
≈0,58√E
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik18 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Ortsauflösung
Ort kann durch die Matrix der Schauerzähler bestimmt werden
je mehr Zellen getroffen werden, desto genauer
Blei/Szintillator mit 10 x 10 cm²: 11 mm
Blei/FAr mit 10 mm breiten Streifen: 1 mm
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik19 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
CMS
ECAL homogen, BleiWolframat-Kristall
Totzeit von 25 ns
Photodetektor direkt am Kristall
61.200 Stäbe in 36 Supermodule
unterteilt (~ 3 t)
~ 15.000 in den beiden Endkappen
Produktionsdauer der Kristalle: 10 Jahre
HCALSandwich-Kalorimeter
über 1.000.000 russische Granatenhülsen
aus Bronze aus dem 2. Weltkrieg
Plastik-Szintillator
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik20 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
ATLAS
ECALFlüssigargon-Kalorimeter
Akkordeon
HCALZum Teil Flüssigargon-Kalorimeter
Plastik-Szintillator
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik21 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
Kalorimeter in der Teilchenphysik (2)
elektromagnetisches und hadronisches Kalorimeter am Beispiel des CMS Detektors
Institut für experimentelle Physik, Fakultät für Physik22 13. Januar 2012 Jens Senger – Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter
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