1 Plan Principes de la calorimétrie Calorimétrie électromagnétique (1/4)

(1)

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VI 1/27

Plan

I.

Quelques points de physique des hautes énergies

II.

Quelques notions sur les accélérateurs

III.

Energie perdue dans la matière

IV.

Partie active des détecteurs

V.

Identification des particules et reconstitution de traces

VI.

Calorimétrie

VII.

Electronique et système d’acquisition

VIII.

Détecteurs de physique des hautes énergie

On a vu que

Principes de la calorimétrie



Méthode destructive de mesure de l’énergie totale par absorption



L’énergie est convertie en excitation de la matière ou ionisation



Réponse du détecteur liée à l’énergie E



Résolution spatiale



Particules neutres (γ et n) et chargées (e

^±

et hadrons)



Formation de gerbes électromagnétiques ou hadroniques

Calorimétrie électromagnétique (1/4)



On considère uniquement le rayonnement de freinage et la création de paires



On prend X

0

= λ

paire



Le processus continue jusqu’à ce que E(t)

< E

c



Ensuite, les mécanismes dominants sont l’ionisation, l’effet Compton et l’effet photoélectrique



On a environ :

t [X0]

Gerbe électromagnétique

!

N(t) "2 E

₀

E

c

(2)

Calorimétrie électromagnétique (2/4)



Développement longitudinal



Forme générale :



Le maximum se trouve à t

_max

:



95% de la gerbe est contenue dans

Développement longitudinal

! dE

dt "t

^#

e

^$t

!

t

_max

= 1 ln(2) ln E

₀

E

_c

"

# $ %

&

'

!

t

₉₅

" t

_max

+0,08# Z+9,6

Calorimétrie électromagnétique (3/4)



Développement transverse



95% de la gerbe est contenue dans un cône de rayon 2 R

m

(rayon de Molière) :



R

_m

s’exprime ici en g / cm

²



Exemple : e

^-

de 100 GeV dans un

« verre au plomb »



E

c

= 11,8 MeV – t

max

≈ 13 – t

95

≈ 23



X

0

≈ 2 cm – R

m

≈ 3,6 cm

Développement transverse

!

R

_m

= 21 MeV E

_c

X

₀

Remarque sur les résolutions



Pour connaître la réponse d’un détecteur, on envoie en « test beam » des particules d’énergie connues dont on essaye de recouvrir l’énergie



Les distributions sont typiquement gaussiennes et sont caractérisées par leur largeur σ(E)

Exemple du calorimètre EndCap de ATLAS

Calorimétrie électromagnétique (4/4)



Résolution en énergie



Typiquement :

Terme

d’échantillonnage Terme

de bruit Terme

constant

• inhomogénéités

• non linéarités

• mauvaise calibration

• bruit électronique

• empilement (pile up)

• (radioactivité)

!

"(E) E = a

E #b # c

E

(3)

Prééchantillonneur ou détecteur de pied de gerbe



Les gerbes démarrent généralement dans les « matéraux morts » devant les calorimètres



Les autres détecteurs, les supports mécaniques, les éléments magnétiques, ..



On installe donc généralement un prééchantillonneur à grande segmentation devant le calorimètre électromagnétique

Exemple du calorimètre EndCap de OPAL



Il recouvre l’énergie manquante et améliore la résolution (énergétique et spatiale)

Calorimétrie hadronique (1/2)



Bien plus complexe à modéliser que les gerbes

électromagnétiques



Grandes fluctuations



Résolution en énergie moins bonne que pour les e-



Moindre exigence sur les performances du calorimètre



Les gerbes hadroniques sont plus longues et plus larges que les gerbes électromagnétiques

Gerbe hadronique

Calorimétrie hadronique (2/2)

Types de calorimètres



Il existe deux types de calorimètres :



Les calorimètres homogènes pour lesquels l’absorbeur est également le milieu de détection

•

Bonne résolution en énergie

•

Résolution spatiale moyenne

•

Ne peut servir que pour la calorimétrie EM



Les calorimètres à échantillonnage (« sampling calorimeters ») pour lesquels l’absorbeur et le milieu de détection sont différents

•

Résolution en énergie moyenne

•

Bonne résolution spatiale

•

Peut être utilisée en calorimétrie EM et hadronique

(4)

Calorimètres homogènes

Exemple du calorimètre électromagnétique de

OPAL

Calorimètres à échantillonnage (1/2)

Exemple du calorimètre électromagnétique de ATLAS

Calorimètres à échantillonnage (2/2)

Exemple du calorimètre hadronique de CMS

Absorbeur en cuivre (1500 t) + scintillateurs

Résolution en énergie : "

E

E = 65%

E

(GeV)

#5%

Exemple de la calorimétrie de ATLAS

(5)

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VI 17/27 LAr EM End-Cap (EMEC)

LAr Hadronic End-Cap (HEC)

LAr EM Barrel (EMB)

LAr Forward CALorimeter (FCAL) Tile calorimeter Extended Tile

calorimeter LAr - Cu ⊕ W

3.2 < |η| < 4.9 FCAL

LAr - Cu 1.5 < |η| < 3.2 HEC

LAr - Pb 1.4 < |η| < 3.1 EMEC

LAr - Pb

|η| < 1.475 EMB

θ ϕ θ

ϕ

!

" =# ln tan $ 2

%

&

' ( ) * +

, - .

/ 0

ATLAS calorimeters

TileCal and Extended TileCal act as the main solenoid flux return

Attenuation

Requirements

• Absolutely no bubble

• LAr bath at 88.4 K

• Uniformity better than 0.3 K

• Stability better than 0.1 K

• Continuous operation over ATLAS lifetime

• Purity better than 2 ppm O2 equivalent

Barrel cryostat

• 43 m³ of LAr

• 128000 signal wires

• Sharing vacuum insulation with solenoid End-Cap cryostat

• 17 m³ of LAr

• 5000 signal wires

• Displaced by 12 m during ATLAS opening

Barrel cryostat End-Cap cryostat

Common cryostat properties

• Two concentric vessels (warm and cold)

• Warm vessel rest on fibre-glass epoxy feet (thermal and electrical insulation)

• All 3 cryostats cold tested with

• Detectors in surface building at CERN before going to the pit

⇒ 9 thermal cycles up to now E (kV/cm)

From A.

Besson (D0) Nominal LAr

Cryogenics

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VI 19/27 tdrift =450 ns in EMB

E

LAr properties

• Stability over years

• Radiation hard tolerance

• Intrinsic linear behaviour

• Sampling calorimeter

 Good spatial resolution (wrt homogenous calorimeter)

 Poor energy resolution

Liquid argon calorimetry

Shower in the accordeon

Main properties

• Absorbers are made of lead and stainless steel

• Hermiticity (no azimutal crack)

• Bending in the direction of particles

• 1 GeV energy deposit gives about 5 10⁶ electrons

• Several layers in depth

EMB during stacking Complete EMB wheel

EMB

• |η| < 1.475

• Accordion waves are parallel to beam axis

• Angles of the waves are varying in radius to keep the LAr gap constant

Accordion shape absorbers

(6)

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VI 21/27 Main properties

• 4 electrode types: 2 for EMB (A & B) and 2 for EMEC (C & D)

• Electrodes are 275 µm:

 3 layers of Cu

 2 layers of insulating polyimid

• The two outer layers are at HV

• Signal is read from central layer

• 3 compartments in length (only 2 for inner wheel of EMEC and for barrel-end)

• Drift gap

EMB : 2.1 mm on each side of the electrode (450 ns for 2000 V)

EMEC : 0.9 to 3.1 mm on each side of the electrode

Strip layer Strip layer

Middle layer Middle layer

Back layer Back layer

η=0

η=1.4 Cells

r

η

η=0.8 Barrel electrodes

Barrel electrode before bending

Barrel electrode after bending

Electrodes

• Full φ coverage due to accordion geometry

• Precision physics for |η| < 1.8

• 2.3 X₀ at η = 0

« Crack »

EMB EMEC Before the

accordion

Before the presampler

Thickness of accordion layers (coarser granularity)

EMEC (inner wheel)

Layer 1 Layer 2

Layer 3 EMB

Amount of material in front of EM calorimeter (fine granularity)

EMEC (outer wheel)

Material budget

• Needed to correct for energy lost upstream of accordion, especially at low energy

• Thin LAr layer (11 mm in barrel and 5 mm in end-cap) in front of first accordion sampling

• Coverage up to |η| = 1.8

EMB presampler Presampler

Main properties

• Insensitive to radiation

• Copper absorbeurs (25/50 mm thick) with absorbers having parallel plate geometry (25 and 50 mm thickness)

• 2 x 2 wheels (front and rear) of φ = 2 m

• 2 x (2 x 32) modules

• 10 λ

• 24/16 gaps for front/rear wheel

• 4 longitudinal samplings

• Δη x Δφ = 0.1 x 0.1 and 0.2 x 0.2 for |η|>2.5

• Cold electronics

• Electrostatic Transformer

 Reduces the HV requirement (each gap consists of 4 subgaps of 1.85 mm)

 Only central electrode is read

 Optimizes signal-to-noise ratio

Hadronic End-Cap (HEC)

(7)

P. Puzo / 2007-2008 R&E - UE6 - Détection en physique des hautes énergies - VI 25/27 Main properties

• 2.5 < |η| < 4.9

• Radiation tolerance

• Cu electrodes parallel to beam axis

• 2 x 3 wheels (1 EM and 2 hadronic)

 Cu matrix for EM wheel (28 X₀, 2.6 λ)

 W matrix for hadronic wheels (3.7 λ each)

• 10 λ for the complete FCAL

• 250 µm (EM) to 500 µm (hadronic) LAr gaps (pile-up)

• Drift time is 60 ns (65% after 25 ns)

• 3 longitudinal samplings

• Δη x Δφ = 0.1 x 0.1

• No traking in front allowing electron/photon separation

• Necessary for forward/backward asymetry of heavy Z’ - electroweak couplings - SUSY

FCAL matrix during electrode filling process

Electrode Forward calorimeter (FCAL)

EM Hadronic

« Cold » cone

« As build » FCAL parameters

During assembly

Forward calorimeter (FCAL)

• HEC overlaps FCAL1 to insure complete coverage

• Has been addressed by combined test beam with EMEC, HEC and FCAL

• Crack region (|η| ≈ 1.5) matters a lot for ensuiring complete η coverage

• PS complemented by scintillator covering 1.0 < |η| < 1.6

• Region 1.37 < |η| < 1.52 is not used for precision physics involving photons