Strahlenwirkung auf den Tile-Kalorimeter während des LHC Run 2

Das ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) ist ein grosses Experiment in der Teilchenphysik, das eine Reihe von grundlegenden Fragen über das Universum erkundet. Ein wichtiger Bestandteil dieses Experiments ist der Tile Calorimeter (TileCal), der die Energie von Partikeln wie Hadronen misst. Wenn diese Partikel mit dem Detektor interagieren, kann es zu Abnutzungserscheinungen kommen, besonders durch Strahlung. In diesem Artikel geht's um eine Studie, wie die optische Instrumentierung des TileCal der Strahlung während des LHC Run 2 von 2015 bis 2018 standgehalten hat.

#Was ist der Tile Calorimeter?

Der Tile Calorimeter ist das zentrale Teil, das die Energie von Partikeln misst, die bei Kollisionen am LHC entstehen. Er besteht aus mehreren Schichten von Kunststoffszintillatoren und Stahl, die zusammenarbeiten, um die Energie von eingehenden Partikeln zu absorbieren. Wenn ein Partikel den Szintillator trifft, erzeugt es einen Lichtblitz, der dann von speziellen optischen Fasern gesammelt und zu Photodetektoren zur Messung geschickt wird.

Stell dir das wie ein hochmoderner „Diner“ vor, wo jeder Partikel ein Kunde ist und die Szintillatortiles die Kellner sind, die Licht statt Essen servieren. Jeder Kellner sammelt Trinkgelder (Lichtsignale), abhängig davon, wie gut er seinen Job macht.

#Optische Komponenten in Gefahr

Wie du dir denken kannst, bedeutet die Arbeit mit hochenergetischen Kollisionen, dass der TileCal viel Strahlung abbekommt. Die Szintillatoren und optischen Fasern können Schäden erleiden, wenn sie über längere Zeit dieser Strahlung ausgesetzt sind. Die Studie hat untersucht, wie diese Komponenten unter den harten Bedingungen des LHC durchhielten.

Die optischen Fasern, die das Licht von den Szintillatoren sammeln, sind ein bisschen wie Partygäste, die die besten Geschichten aus lebhaften Gesprächen aufsaugen. Wenn die Party zu lange dauert, könnten sie anfangen, die guten Teile zu vergessen.

#Kalibrierung und Überwachung

Um im Blick zu behalten, wie gut der TileCal funktioniert, gibt es verschiedene Kalibrierungs- und Überwachungssysteme. Dazu gehören:

• Caesium-radioaktive Quellen: Die liefern gleichmässiges Licht für Kalibrierungschecks.
• Lasersysteme: Die helfen, die Reaktion der Detektoren zu überwachen.
• Minimum Bias Events: Das sind zufällige Ereignisse, die helfen, die Gesamtleistung zu beurteilen.

Denk an diese Systeme wie an regelmässige Überprüfungen im Diner, um sicherzustellen, dass alle Kellner die Speisen noch richtig ausliefern. Wenn ein Kellner anfängt, nachzulassen, muss die Leitung Bescheid wissen!

#Datensammlung

Die Daten für diese Studie stammen aus der Run 2-Phase, die von 2015 bis 2018 dauerte. Die Messungen, die in dieser Zeit gemacht wurden, sollten bewerten, wie sich der Lichtoutput der optischen Komponenten durch Strahlenexposition veränderte.

Die Messungen zeigten, dass die mehr Zeit die Tiles unter Strahlung verbrachten, desto mehr begann ihr Lichtoutput zu flackern, ähnlich den schwächer werdenden Lichtern eines Diners, je später die Nacht wird.

#Ergebnisse der Studie

Die Leistung des TileCal variierte über seine Schichten hinweg. Die innerste A-Schicht wurde am stärksten von Strahlung getroffen und beendete Run 2 mit einem Verlust von etwa 10% beim Lichtoutput. Andere Schichten litten viel weniger, oft blieben sie innerhalb von 1% ihrer ursprünglichen Leistung.

Es stellte sich heraus, dass die A-Schicht fast um eine Pause bat, nach einer langen Nacht des Servierens von Energie! In der Zwischenzeit schafften es die anderen Schichten, ihr Niveau zu halten.

#Lücken- und Rissszintillatoren

Zusätzlich zu den regulären Segmenten gibt es spezielle Lücken- und Rissszintillatoren, die noch härteren Bedingungen ausgesetzt waren. Die Lückenszintillatoren zeigten einen Verlust von etwa 12% beim Lichtoutput, aber die Risszähler waren die echten Dramaqueens und litten unter Verlusten von 20% und 30% für ihre jeweiligen Typen.

Der Pausenraum des Diners war offensichtlich ein chaotischer Ort, und diese Zähler baten um eine ernsthafte Auffrischung für Run 3.

#Minimum Bias Trigger Szintillatoren

Die Minimum Bias Trigger Szintillatoren (MBTS), die bei der Auslösung und zeitlichen Abgleichung der Ereignisse helfen, litten erheblich. Die inneren Zähler dieses Systems verloren fast 90% ihrer Lichtreaktion, nachdem sie eine besonders heftige Dosis Strahlung während Run 2 abbekommen hatten.

Als wäre das nicht genug, wurden sie für Run 3 ersetzt, da sie bessere Tage gesehen hatten, ähnlich einem überarbeiteten Koch in einem belebten Diner.

#Strahlungsumgebung

Die Strahlungsumgebung am LHC wird durch hochenergetische Kollisionen beeinflusst, die eine Reihe von Sekundärpartikeln erzeugen. Etwa 50% dieser Partikel werden in dem Bereich produziert, in dem der TileCal arbeitet, obwohl sie nur ungefähr 1% der gesamten Kollisionsenergie beitragen.

Stell dir eine belebte Strassenecke vor, wo alle plaudern, aber nur wenige Gespräche laut genug sind, um gehört zu werden.

Simulationen wurden verwendet, um die gesamte ionisierende Dosis (TID) zu schätzen, die die Szintillatormaterialien erfahren, und es zeigte sich, dass bestimmte Bereiche eine viel höhere Dosis erhielten als andere.

#Abbau-Modelle

Mit den gesammelten Daten haben die Forscher Modelle erstellt, um zu verstehen, wie die optischen Komponenten im Laufe der Zeit unter Strahlung abgebaut werden würden. Diese Modelle ermöglichten es ihnen, die zukünftige Leistung abzuleiten, um sich auf ein intensiveres Umfeld in künftigen Durchläufen vorzubereiten.

Es ist wie eine Prognose, wie beschäftigt das Diner im Sommer sein wird, basierend auf den Besucherzahlen des letzten Jahres.

#Zukünftige Projektionen

Die Hochluminositätsphase des LHC wird voraussichtlich noch mehr Strahlung liefern, mit einer projected Zunahme der sofortigen Luminosität um den Faktor sieben. Das bedeutet, dass der TileCal sich benehmen muss, oder er riskiert ernsthafte Abnutzungserscheinungen.

Die zukünftigen „Dining“-Bedingungen sehen intensiv aus, und die Kellner müssen bereit sein für den Ansturm!

#Fazit

Zusammenfassend lieferte die Studie zur optischen Instrumentierung des Tile Calorimeters während des LHC Run 2 wertvolle Einblicke, wie Strahlung die Leistung dieser kritischen Komponenten beeinflusst. Die gesammelten Daten und die entwickelten Modelle werden helfen, sicherzustellen, dass der TileCal robust bleibt, auch wenn er neuen Herausforderungen in der Hochluminositätsphase gegenübersteht.

Während das Diner sich auf die nächste grosse Service-Runde vorbereitet, muss die Küche mit den besten Materialien ausgestattet sein, damit jeder Kunde zufrieden geht, auch wenn das bedeutet, dass ein paar schicke neue Kellner und ein paar aufgerüstete Menüs nötig sind!