Részecske-‐ és magfizikai detektorrendszerek Detektorok és kísérle7 módszerek Pásztor Gabriella (Gabriella.Pasztor at cern.ch) ELTE TTK Atomfizika Tanszék Északi tömb 3.88 szoba
Kitérő: 2015 Fizikai Nobel-‐díj
"for the discovery of neutrino oscilla3ons, which shows that neutrinos have mass"
Takaaki Kajita Japán Super-‐Kamiokande Légköri neutrínó oszcilláció 1998
Arthur B. McDonald Kanada Sudbury Neutrino Observatory Nap-‐neutrínó oszcilláció 2001
Neutrínó tömeg • Neutrínó: semleges részecske, csak a gyenge kölcsönhatásban vesz részt • Három fajtáját ismerjük: elektron-‐, müon-‐, tau-‐neutrínó • A gyenge kölcsönhatás paritássértő – Elméle7 jóslat: 1956 C.N. Yang, T.-‐D. Lee (1957, Nobel-‐díj) – Kísérle7 bizonyíték: 1957 C.S. Wu
• • • • •
H
Ennek leírására a SM csak balkezes neutrínókat tartalmaz A fermionok tömegüket a Higgs bozonnal való kölcsönhatásból kapják A neutrínók tömegét tehát pontosan 0-‐nak feltételezték 2001-‐ben kísérle7leg bizonyítoeák: a neutrínók tömege kicsi, de nem nulla A SM módosításra szorul! Új fizika?
ν νL R
Neutrínó: Dirac vagy Majorana? • Részecske à (töltéstükrözés) àan7-‐részecske • Töltöe részecske és an7-‐részecske társa mindig különböző • A semleges részecskéknél mindkét eset előfordulhat: – π0 és an7-‐részecske társa megegyezik – K0, n különböznek an7-‐részecske társuktól
• Nem ismerünk még olyan fermiont, amely megegyezik az an7-‐részecskéjével (majorana fermion) • Mi a helyzet a neutrínókkal? – Ha ν = an7-‐ν, majorana részecske – Ha ν ≠ an7-‐ν, dirac részecske
• Kísérle7leg eldönthető (de még nem eldöntöe!): ha ν majorana, neutrínó nélküli dupla β-‐bomlás lehetséges (ugyanazt a részecskét kibocsájthatja és elnyelhe7 a neutron) • A válasz utat mutatna a SM kibővítésének módjára
n
n
u d d d d u
u d u
W W
p _
e_ e
e
u d u
p
Vissza a neutrínó tömeghez… • Ha Dirac fermion (standard Higgs avagy BEH mechanizmus): – Jobb-‐kezes steril (azaz nem akpv) neutrínó szükséges
• Ha Majorana fermion :
– Vagy Higgs triplet szükséges (Y=2) – Vagy egy új tömeg generáló mechanizmus (pl. “see-‐saw”) • Megmagyarázhatja a tömeg parányi voltát is
• A töltöe lepton ízállapotok egyben tömeg-‐sajátállapotok is • Neutrínók ízét a kimutatoe töltöe lepton ízéből állapíthatjuk meg • A neutrínó ízállapotok nem feltétlenül tömeg-‐sajátállapotok
Nap-‐neutrínó hiány • Nap-‐neutrínók: elektron neutrínók a Napban végbemenő nukleáris fúzióból • 150 millió km út • 1968, Homestake detektor νe + 37Cl ➝ e-‐ + 37Ar neutrínó szám a radiokpv Ar méréséből • Homestake 1998: 2.56±0.16±0.16 SNU (24 évnyi adatgyűjtés!) [Solar Neutrino Unit = 10-‐36 esemény / (atom s)] • Elmélet: 6.36 – 9.3 SNU • Észlelt eseményszám ≈ Napmodell 1/3-‐a • 2002 Nobel-‐díj (Raymond Davis, 1/3)
Site: Homestake golden mine, in South Dakota, USA. Detector: built in 1967 at Brookhaven laboratory, it contains about 615 tons of tetrachloroethylene. Under neutrino interaction, the Chlorine 37 becomes Argon 37, which is radioactive with a half-life of 35 days. Argon 37 is isolated (with He bubbled through the tank) and its radioactivity is measured. The number of Argon 37 atoms detected gives the number of neutrino interactions in the chlorine vat, thus the solar neutrino flux.
Légköri neutrínók
Kozmikus sugár
• Kozmikus sugarak (szupernovák, ősrobbanás,…) ütköznek a légkör részecskéivel • Másodlagos részecskék bomlásai: π± ➝ μ± νμ➝ (e± νe νμ) νμ • 30 km-‐ről νe és 2νμ + an7-‐neutrínók • Első (nem konkluzív) mérések a 60-‐as évek közepétől Indiában és Dél-‐Afrikában • Proton bomlás kísérletek 80-‐as években • 1986, IMB és Kamiokande • Mért N(νμ)/N(νe) << 2 • Müon neutrínó hiány
Hadron zápor Elektro-‐ mágneses zápor
Neutrínó oszcilláció • Mass és íz sajátállapotok különbözőek, a neutrínó ízt válthat:
• 1957 Bruno Pontecorvo jósolja meg • Sok különböző kísérlet észlelte, többek közöe a Nap neutrínó probléma megoldása is – 1968 Homestake első megfigyelés… – 2001 SNO világos bizonyíték a neutrínó íz változásra
• A neutrínó oszcilláció bizonyítja, hogy a neutrínók tömege nem 0 • Két ízre: • A SM módosításra szorul!
Neutrínó kísérletek: baseline (alaptávolság) • Légköri neutrínó kísérletek: L = Föld átmérője • Nap neutrínó kísérletek: L = Föld – Nap távolság • Gyorsítós vagy reaktor kísérletek – T2K (Tokai-‐to-‐Kamioka kísérlet, Japán): 295 km távolság (JPARC neutrínó nyaláb – Super Kamiokande detektor) – KamLand: 53 reaktor, 180 km átlagos távolságra
νe + n ➝ e-‐ + p ν_ μ + n ➝ μ-‐ + p νe + p ➝ e+ + n _ νμ + p ➝ μ+ + n
Neutrínó észlelés vízben Gyengén kölcsönható ➝ Anyagon általában zavartalanul áthalad ➝ Óriási tömegű detektorokra van szükség, hogy észlelhessük Elektron-‐neutrínók és muon-‐neutrínók megkülönböztetése
Keletkező töltöe részecske sebessége nagyobb mint a fénysebesség vízben ➝ Cherenkov sugárzás
Ellipszis alakja, a PM csövek jelének időzítése, lehetővé teszi az irány meghatározását HTP2015
Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába
52
The challenge • Separate a few true neutrino signals from billions of false ones • Even the air in the mines and the detector material contain naturally occurring trace elements that decay and interfere with the measurements • Principal background sources include primary interac7ons of cosmic rays, mechanisms of neutron produc7on by cosmic rays and low energy backgrounds from neutrons, primordial and anthropogenic radionuclides, and secondary radioac7vity from spalla7on
Super-‐Kamiokande (SKK) • Kamioka Nucleon Decay Experiment • 1000 m mélyen a Kamioka bányában Japánban • Belső detektor: – ∅ 39 m × 42 m tartály – 50 000 t 7szta H2O •
A fény 70 m megtétele után vesz7 el intenzitása felét
– 11 146 PMT (∅ 51 cm)
• Külső detektor
– Vétó á‡utó e, μ, n, γ – 2 m vastag H2O – 1 885 PMT (∅ 20 cm)
• Neutrínók a Napból, a légkörből és gyorsítóból • Méri irányuk, energiájuk, fajtájuk • Adatgyűjtés kezdete: 1996
HTP2015
Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába
54
Super-‐Kamiokande (SKK) • Kamioka Nucleon Decay Experiment • 1000 m mélyen a Kamioka bányában Japánban • Belső detektor: – ∅ 39 m × 42 m tartály – 50 000 t 7szta H2O •
A fény 70 m megtétele után vesz7 el intenzitása felét
– 11 146 PMT (∅ 51 cm)
• Külső detektor
– Vétó á‡utó e, μ, n, γ – 2 m vastag H2O – 1 885 PMT (∅ 20 cm)
• Neutrínók a Napból, a légkörből és gyorsítóból • Méri irányuk, energiájuk, fajtájuk • Adatgyűjtés kezdete: 1996
HTP2015
Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába
55
Super-‐Kamiokande
μ ➝ e
Belülről, majdnem tele vízzel…
μ
HTP2015
e
Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába
56
Super-‐Kamiokande I: eredmények NAPNEUTRÍNÓK • Megerősí7 a napneutrínó hiányt (1998) • SKK-‐I eredmény: adat(1996-‐2001) / SSM = 0.406 ± 0.004 (stat) + 0.014 -‐ 0.013 (sziszt) • SSM: Solar Standard Model LÉGKÖRI NEUTRÍNÓK (E<1 GeV) • [N(νμ)/N(νe)]adat / [N(νμ)/N(νe)]MC = 0.658 ± 0.016 (stat) ± 0.035 (sziszt) • Kevesebb νμ mint vártuk (“νμ eltűnés”)
HTP2015
Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába
A Nap, ahogy a neutrínók látják A napneutrínók rekonstruált forrása
57
Neutrínó oszcilláció mérése: SKK-‐I νμ eltűnés mérése a Föld átmérőjén keresztül Fluxus↑ / Fluxus↓ = N(-‐1 < cosθ < -‐0.2) / N(0.2 < cosθ < 1) = 0.54 ± 0.04 Δmatm2= (1.3-‐3.0)·∙10-‐3 eV2
2013. augusztus 12-‐16
Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába
58
Super-‐Kamiokande müon-‐neutrínó oszcilláció
SNO experiment 2 km’s under ground, in INCO's Creighton mine near Sudbury, Ontario, Canada Heavy-‐water Cherenkov detector design to detect neutrinos from the Sun 12 meter diameter acrylic vessel filled with 1000 t of D2O An array of 9600 photomul7plier 20 cm diameter tubes mounted on a geodesic support structure detects the Cerenkov light • Immersed in an ultra pure light (normal) water within a 30 meter barrel-‐shaped cavity for shielding against radiac7ve decay in support structure and surrounding rock • Extremely clean to reduce background signals from radioac7ve elements in the mine dust • Start of data taking: 1999 • 3 of 60 billion v’s observed / cm2 s • Several ways to detect v’s: • • • •
– – –
vD à e-‐pp, CC, sensi7ve to electron flavour only e direc7on can also be measured confirming the source (Sun) vD à vpn, NC, sensi7ve to all three flavours photon from n capture measured (low efficiency) NaCl added later to increase n capture probability ve à ve, ES, sensi7ve to all three flavours, but 6x higher cross-‐sec7on for electron flavour
• Comparing the v counts by the different methods v oscillaHon can be proved as well as the SSM calculaHon confirmed
SNO neutrino fluxus mérési eredmények
Neutrínó oszcilláció
à δm2
à Δm2
Kaloriméterek
Kaloriméterek • Részecske-‐észlelés a teljes energia elnyelésével, majd a leadoe energia mérése • Destrukpv szinte minden részecske számára (kivéve μ, ν) à segít a müon felismerésében • Semleges részecskék (fotonok, semleges hadronok) detektálásához elengedhetetlen • Az elnyelt energia hővé alakul à “kaloriméter” elnevezés
Kalorimetria • Vastag, nagy sűrűségű közeget helyezünk a részecskék útjába, hogy energiájukat teljesen elnyelessük • A közeget így “felmelegítjük”, és a “hőmérséklet” változásából következtetünk a leadoe energia mennyiségére (klasszikus kalorimetria elve) • 1 GeV-‐es részecske hatása 1 l vízre 20 C-‐on: ΔT = E / (M·∙c) ∼ 4·∙10−14 K • Kifinomultabb módszerekre van szükség! J • A beeső töltöe vagy semleges részecskék a detektor anyagával kölcsönhatva EM vagy hadronikus záporokat keltenek • A másodlagos termékek ionizációt vagy gerjesztee állapotokat hoznak létre a közegben • A közeg akpv, ha ezek mérhető jelet adnak • Sűrű abszorbens, ritka akpv rétegek váltakozása à szendvics vagy mintavevő (sampling) kaloriméter • Az abszorbens egésze akpv à homogén kaloriméter
Homogén kalorimetria – a fékezési sugárzás és a párkeltés mechanizmusának illusztrációja: 50 GeV-‐es elektron által keltee elektromágneses zápor a 3 T mágneses térben levő BEBC buborékkamrában Ne/H2 (70%-‐30%) gázkeverékben
Kaloriméterek • Müonok az atomok ionizációjával adják le főleg energiájukat, így pl. egy 10 GeV-‐ es müon megállításához ∼9 m vas vagy ∼8 m ólom szükséges – Nagyon nagy energiájú (>1 TeV) müonoknál már lehetséges kalorimetria (folyamatok dE ~ E energia veszteséggel vasban, ólomban… )
• Fotonok / elektronok és hadronok azonban az anyaggal kölcsönhatva elektromágneses illetve hadron záporokat keltenek és ezzel hatékonyabban leadják energiájukat à elektromágneses és hadron-‐kaloriméterek
Elektron energia vesztesége anyagban Kri7kus energia: Az energia, amelyen a sugárzási és ionizációs energiaveszteség átlagosan megegyezik. Közelítés:
Elektromágneses kaloriméterek • E ≳ 100 MeV: – Elektron: bremsstrahlung -‐(dE/dx)rad = E/X0 (X0: sugárzási hossz) e± energiája 1/e-‐ed részére csökken X0 távolságon – Foton: e+e− párkeltés dw/dx = e−x/λprod / λprod (λprod = 9 X0 / 7) λprod: 𝛾 átlagos szabad úthossza párkeltésre – EM zápor fejlődik, amíg E > Ec • Alacsonyabb (E < Ec ~ MeV) energián már az elnyelési folyamatok dominálnak – Elektron (töltöe részecske): ionizáció és atomi állapotok gerjesztése – Foton: fotoelektromos és Compton
E0/2 E0/4 E0/8 E0/16 E0/32 ...
E0
Példa: CsI kristályba (Ec~10 MeV) 1 GeV-‐es foton lép be Zápor maximum: Nmax = E0/Ec = 100, tmax = 6.6 Ec energiájú elektron ~1 X0 hosszon teljesen elnyelődik de ~7-‐9 X0 anyag szükséges a hasonló energiájú fotonok 95%-‐ának elnyeléséhez à caloriméter vastagság > 15 X0 a zápor teljes lefedéséhez
Egyszerű zápor modell: X0 mint generációs hossz Távolság: t = x / X0 Részecske szám: N(t) = 2t Egy részecskére eső energia: E(t) = E0 / 2t Zápor maximuma: tmax = ln(E0/Ec) / ln2
EM zápor longitudinális fejlődése • A zápor maximumát elérve a kri7kus energiájú elektronok ∼1 X0 távolságon elnyelődnek, ezután a zápor lecsengését a fotonok viszik előre
• Nagyobb rendszámú anyagokban kisebb a kri7kus energia à zápor maximum mélyebb, a lecsengés lassabb (X0 egységekben) • Foton kelteee záporok hosszabbak, mert az energia leadás csak az első párkeltés után kezdődik meg
EM zápor laterális (oldalirányú) fejlődése • Az elektronok eltérülését a zápor tengelyirányától a sokszoros Coulomb-‐szórás okozza • Fontos szerepet játszanak azok a fotonok is, akik keletkezési helyüktől távol adják le energiájukat • Nagyenergiájú másodlagos részecskékből álló keskeny, közpon7 magot, így fátyolként veszik körül a lágyabb komponens részecskéi, melyek a mélységgel egyre jobban széeerülnek • Laterális kiterjedés jól jellemezhető a Molière-‐sugárral (RM): RM sugarú henger tartalmazza a zápor energiájának 90%-‐át • Különböző anyagokban a laterális kiterjedés 26 X0 PbWO4 jó közelítésben RM-‐mel skálázódik
Elektromágneses kaloriméterek • Legfontosabb jellemzők: – Minimum ~15 X0 vastagság (7pikusan ~25 X0) – A zápor maximum helye csak lassan változik az energiával, a kaloriméter vastagsága logaritmikusan függ az energiától – Az energia elfolyást főként alacsony energiájú fotonok elszökése okozza oldalra (lateral leakage) vagy a kaloriméter mögé (rear / longitudinal leakage)
• A valóságban a zápor fejlődése sokkal összeteeebb, Monte Carlo szimulációval modellezik (pl. a GEANT4 programcsomaggal)
Kaloriméter ppusok és jellemzők • Homogén (EM) kaloriméterek: teljes térfogat érzékeny (hozzájárul a jelhez) – Általában szervetlen nehéz (nagy sűrűségű, nagy Z-‐jű) kristály szcin7llátorok vagy nem-‐szcin7llátor Cherenkov-‐sugárzó anyag (pl. ólomüveg) – Kitűnő energia felbontás, de drága és tömeggyártás jó minőségben nehéz – Pl. CMS EM kaloriméter: • Mintavevő (EM vagy hadron) kaloriméterek: elnyelő fém rétegek, pl. Fe, Cu (hadron) és Pb (EM), váltakoznak akpv detektor rétegekkel – Az akpv anyag lehet szcin7llátor, ionizáló folyékony nemesgáz, Cherenkov-‐sugárzó anyag, félvezető vagy gáz detektor – Olcsó, jó szegmentáltságot biztosít (jobb vertex meghatározási pontosság, több e/𝛾 azonosítási információ), de nem látszik a teljes zápor (rosszabb energiafelbontás) – Pl. ATLAS EM kaloriméter: Energia felbontás: (σE / E)2 = (a/E)2 + (b/√E)2 + c – az első kölcsönhatási pont fluktuációja – az energia elfolyás (leakage) fluktuációja oldalirányba és hátra – mintavételi fluktuációk – kristály nem-‐uniformitása – … • Térbeli felbontás G. Pásztor: Válogoe fejezetek a •
74
Kölcsönhatási és sugárzási hossz ATLAS@LHC: LAr/Pb
Homogén kristály kaloriméterek • Nehéz kristály szcin7llátor elemekből épül fel, 7pikusan 1-‐2 Moller-‐sugárnyi széles rácsszerűen elrendezee hosszúkás téglatestek • A zápor energiáját a kristályok egy csoportja nyeli el → klaszter (cluster) • Kiolvasás PM csövekkel, vákum fototriódákkal, Si fotodiódákkal • Legjobb energia felbontást adják • Általában aszimmetrikus energiaeloszlás (ΔE/E), hosszú alacsonyenergiás farokkal • Hátrány: drága, nehéz tömeggyártás jó minőségben • Alterna7va: ólomüveg – Cherenkov sugárzás kevesebb fényt ad, rosszabb energia felbontás (pl. OPAL EMcal) OPAL EM kaloriméter (LEP) • Ionizációs kaloriméter: ionizációs kamrák sora folyékony nemesgázban (pl. NA48 LKr EMcal) L3 barrel EM kaloriméter összeszerelése
CMS barrel EM kaloriméter összeszerelése
CMS EM kaloriméter CMS @ LHC 80k PbWO4 kristály mágneses térben (4 T) • Kis X0 = 0.89 cm, kis RM = 2.19 cm, gyors fénykibocsájtás (), sugárzásellenállóság • Viszonylag kis fénytermelés 50 𝛾 / MeV → kitűnő minőségű kiolvasó rendszer • Méret: 22 x 22 x 230 mm3 (1 RM x 1 RM x 26 X0) (barrel), 30 x 30 x 220 (endcap) ∼ 1.5 kg Kiolvasás: • Barrel: speciálisan tervezee 5x5 mm2 APD (avalanche photodiode) – Erősítés (x50), kis méret, nem érzékeny a mágness térre, sugárzás ellenálló • Endcap: vákum fototrióda (még sugárzás ellenállóbb) Felbontás: a=2.7% (5.7%), b=155 MeV (205 MeV), c=0.55% (0.55%)
CMS ECAL
CMS ECAL
EM kaloriméterek felbontása
Mintavevő kaloriméterek • Példa: vastag elnyelő ólom (Ec=7.4 MeV) réteg mögé rakjunk egy vékony számlálót a zápor maximumánál – Naív modellünk szerint Nmax = E𝛾 /Ec, ebből 1:1:1 e−/e+/𝛾 – A jel arányos a töltöe részecskék számával ∼ 2/3 ·∙ Nmax – 1 GeV-‐es beeső foton esetén Ne = 90, σ(Ne)/Ne = 1/√Ne ∼ 10% Elfogadható energia felbontás! Természetesen a valóság jóval komplikáltabb (és Ne kisebb mint a fen7 becslés) • A gyakorlatban felváltva tesznek nagy sűrűségű elnyelő és akpv rétegeket (szendvics struktúra, beágyazoe szálak…) • Az abszorber lehet sík lapokból, de bonyolultabb alakú is (harmonika) • Mintavételi hányados: látható energia / teljes leadoe energia • Akpv elem: gáz-‐kamrák, Lar ionizációs kamrák, szcin7llátorok (lap / szál) • Kiolvasás: hullámhossz eltolókkal vezetve a fényt PM csövekhez • Előny: ár, szegmentáltság • Hátrány: nem látszik a teljes zápor
Hullámhossz eltoló kiolvasás Rés szükséges a teljes visszaverődés eléréséhez → fény veszteség! Hatásfok 1-‐6%
Hullámhossz eltolás segít a kompakt kaloriméter design-‐ban
Összehasonlításul: CMS kristály méret 22 x 22 x 230 mm3 (1 RM x 1 RM x 26 X0) (barrel), 30 x 30 x 220 (endcap) G. Pásztor: Válogoe
fejezetek a
83
Kiolvasó elektronikáról a következő alkalommal!
ATLAS elektron/foton energia kalibráció Három fő lépés: 1) Cella-‐szintű elektromos kalibráció 2) Monte Carlo szimuláción alapuló kalibráció (a rekonstruált energia összehasonlítása a “valóságos” értékkel a szimuációban) 3) In-‐situ kalibráció jól ismert rezonanciák segítségével: Z→ee, J/𝜓→ee, W→eν (a rekonstruált energia összehasonlítása a gyűjtöe adatokban és a MC szimulációban)
G. Pásztor: Válogoe fejezetek a
85
Hadronzáporok
Energiaveszteség hadron kaloriméterekben (energia ami nem mérhető ionizációs jelként): • Maghasadás, spalláció, gerjesztés • Energialeadás a mérési időn kívül (pl. késői fotonok) • Alacsony energiájú neutronok • A detektort elhagyó részecskék Elektromágneses és hadronikus komponens • EM komponens nő az energiával à nem/lineáris válasz Nagy az eseményenkénH fluktuáció à energiafelbontás romlik
EM komponens Töltöe hadronok
Hadron kaloriméterek • Az EM kaloriméterekhez hasonlóan működnek, csak a kölcsönhatási hossz λI ≈ 35 g/cm2 ·∙ A1/3 veszi át X0 szerepét • A hadron kaloriméterek ezért jóval nagyobbak • Nemcsak hosszabb hanem szélesebb is a zápor mint EM esetben – –
EM: sokszoros szórás Hadronok: nagy tranzverzális impulzusátadás nukleáris kölcsönhatásokban
• Nagy nem látható energiaveszteség van: 30-‐40% Nukleáris kötések felbontására forduló energia Nagyon rövidéleeartamú magdarabok, amik elnyelődnek mielőe elérnék az akpv réteget (mintavevő kaloriméterekben) – Hosszú éleeartamú és stabil részecskék (KL0, n)elszökhetnek a kaloriméterből – Pion bomlásból származó muonok is elszökhetnek Csak EM energia és töltöY részecskék energia vesztesége mérhető a kaloriméterben! – –
• Kompenzáló kaloriméterek ezt az energia veszteséget igyekeznek visszaszerezni és ezzel kiegyenlíteni a kaloriméter elektronokra és hadronokra adoe válaszát Uránium abszorber esetén neutronok is keletkeznek, ezek a neutronok maghasadást idézhetnek elő az abszorber anyagában még több neutront és nagy energiájú fotont keltve. Ha ezen n-‐ok, 𝛾-‐ ok energiáját és mérjük, akkor a hadron zápor jel nagysága nő – Megfelelő U/LAr, U/Cu/szcin7llátor keverékeknél néhány GeV fölö¢ beeső hadronokra elérhető a kompenzáció. Nagyon nagy energiák esetén (>100 GeV) túlkompenzálás is előfordulhat • A legjobb hadronkaloriméterek σE / E = 35% /√E [GeV] felbontást érnek el – A domináns tag a mintavételi fluktuáció hadron kalorimétereknél –
ATLAS Tile Kaloriméter Mechanikai struktúra és op7kai kiolvasás (ϕ-‐szelet):
• Vbm,
Izolált hadron válasz: Selec7on: MIP-‐like signal in LAr calorimeter
A kalorimetria jövője
Typical event topology: Photons, electrons, charged and neutral hadrons
Typical jet: • 60% of jet energy in charged hadrons • 30% in photons (mainly from π0→γγ) • 10% in neutral hadrons (mainly n and KL)
TradiHonal calorimetric approach: • Measure all components of jet energy in ECAL/HCAL • Approx. 70% of energy measured in HCAL: σE/E ≈ 60% /√E(GeV)
Fine granularity ParHcle Flow Calorimetry reconstrucHng individual parHcles: • Charged par7cle momentum measured in tracker (essen7ally perfectly) • Photon energies measured in ECAL: σE/E < 20% /√E(GeV) • Only neutral hadron energies (10% of jet energy) measured in HCAL à much improved resolu7on
tradi7onal calorimetry
par7cle flow calorimetry
ParHcle flow calorimetry: reconstruct the par7cle track à greatly improved energy resolu7on for charged hadrons
From Cambridge Linear Collider Group Home Page
ParHcle Flow Calorimetry (PFCal) • • • •
•
• •
•
Hardware needs to be able to resolve energy deposits from different par7cles: à highly granular detectors (as studied by CALICE for ILC) Soiware needs to be able to iden7fy energy deposits from each individual par7cle: à sophisHcated reconstrucHon so¦ware to deal with complex events, containing many hits Fine granularity Par7cle Flow must be studied in context of whole detector: à detailed GEANT4 simula7ons of poten7al detector designs, e.g. ILC detector concepts Silicon Detector design • tracker radius 1.2m • B-‐field: 5T • Tracker: Silicon (5 layers) • Calorimetry : fine granularity par7cle flow • ECAL + HCAL inside large solenoid InternaHonal Large Detector • tracker radius 1.8m • B-‐field: 3.5 T • Tracker: TPC (220 layers) • Calorimetry: fine granularity par7cle flow • ECAL + HCAL inside large solenoid PFCal puts requirements on ECAL and HCAL design ECAL requirements: • Minimise transverse spread of EM showers: small Molière radius & transverse segmenta7on • Longitudinally separate EM/Hadronic showers: large ra7o λI/X0 • Iden7fica7on of EM showers: longitudinal segmenta7on HCAL requirements: • Fully contain hadronic showers: small λI • Resolve hadronic shower structure: longitudinal and transverse segmenta7on • HCAL will be rather large: cost and structural proper7es important
