CMS ECAL Leistung während LHC Lauf 2

Der Compact Muon Solenoid (CMS) ist ein Detektor am CERN Large Hadron Collider (LHC), der Teilchen untersucht, die bei hochenergetischen Kollisionen entstehen. Ein wichtiges Bauteil ist der elektromagnetische Kalorimeter (ECAL), der die Energie von Photonen (Lichtteilchen) und Elektronen misst. In diesem Artikel geht's darum, wie der CMS ECAL während seiner Betriebszeit von 2015 bis 2018 abgeschnitten hat, in einer Phase, die als LHC Run 2 bekannt ist, wo der LHC auf einem höheren Energieniveau als zuvor eingestellt war.

#Was ist der CMS ECAL?

Der CMS ECAL nutzt spezielle Kristalle aus Bleitungswaten, um Energie zu detektieren. Wenn Teilchen wie Elektronen oder Photonen diese Kristalle treffen, erzeugen sie Licht, das dann in elektrische Signale umgewandelt wird. Dieser Prozess ist entscheidend, um verschiedene physikalische Phänomene zu erkennen, vom Higgs-Boson bis zu anderen Teilchen.

Der ECAL kann Energie sehr präzise über ein breites Energiespektrum messen, was ihn für verschiedene physikalische Ziele unverzichtbar macht. Er beinhaltet auch einen Preshower-Detektor, der zusammen mit den Kristallen arbeitet, um die Energie Messungen zu verbessern.

#Herausforderungen während Run 2

Während Run 2 sah sich der LHC mehreren Herausforderungen gegenüber, die qualitativ hochwertige Messungen erschwerten. Die Energie der Kollisionen stieg auf 13 TeV, was zu viel mehr Teilchen führte, die gleichzeitig miteinander interagierten. Diese Zunahme an Teilcheninteraktionen, bekannt als Pileup, sorgte dafür, dass mehrere Kollisionen im gleichen Zeitraum stattfinden konnten, was die Messungen komplizierte.

Die Luminosität, die beschreibt, wie oft die Kollisionen stattfinden, stieg ebenfalls erheblich. Mit höherer Luminosität erlebte der Detektor mehr Strahlenschäden, die im Laufe der Zeit die Funktionsweise des ECAL beeinflussen können. Um diese Probleme zu bewältigen, wurden die Prozesse zur Kalibrierung und Energie Messung im ECAL aus früheren Läufen aktualisiert und verbessert.

#Betrieb und Leistung des ECAL

Der ECAL funktioniert, indem er das Licht, das in den Kristallen erzeugt wird, aufzeichnet und in digitale Signale für die Analyse umwandelt. Um genaue Messungen zu erreichen, ist eine sorgfältige Kalibrierung notwendig. Dabei werden Anpassungen vorgenommen, um Änderungen in der Reaktion des Detektors im Laufe der Zeit aufgrund von Strahlung und anderen Faktoren zu berücksichtigen.

#Energiemessung

Während Run 2 wurde die Energiemessung optimiert, um sicherzustellen, dass die Energieauflösung - die Fähigkeit, zwischen verschiedenen Energielevels zu unterscheiden - hoch blieb. Für Elektronen aus bestimmten Teilchenzerfällen erreichte die Energieauflösung weniger als 1,8 % im zentralen Bereich des Zylinders. In den äusseren Teilen lag sie bei etwa 3,0 %, und in den Endkappen lagen die Auflösungen bei etwa 4,5 %.

#Trigger-System

Der ECAL ist mit einem Trigger-System verbunden, das entscheidet, welche Ereignisse für eine weitere Untersuchung aufgezeichnet werden. Dieses System funktioniert in zwei Phasen. In der ersten Phase filtert es die Daten schnell, um interessante Ereignisse mit einer Rate von etwa 100.000 pro Sekunde auszuwählen. In der zweiten Phase wird genauer hingeschaut, um die Anzahl der Aufzeichnungen auf etwa 1.000 pro Sekunde zu reduzieren.

Das Trigger-System musste sich während Run 2 anpassen, um die erhöhte Anzahl an Teilcheninteraktionen zu bewältigen. Es erwies sich als sehr effizient, indem es relevante Ereignisse korrekt identifizierte und gleichzeitig Rauschen herausfilterte.

#Überwachung und Kalibrierung

Da die Leistung des ECAL im Laufe der Zeit durch Strahlungseffekte abweichen kann, ist eine kontinuierliche Überwachung wichtig. Der Kalibrierungsprozess sorgt dafür, dass alle Änderungen in der Reaktion des Detektors schnell korrigiert werden.

#Messmethoden

Verschiedene Techniken wurden genutzt, um die Leistung des ECAL zu überwachen. Eine Methode bestand darin, die invariant Masse von Teilchenpaaren, die in bestimmten Zerfällen erzeugt wurden, zu verwenden, um die Energieskala zu beurteilen. Ein anderer Ansatz bestand darin, die Energie, die vom ECAL aufgezeichnet wurde, mit dem Impuls geladener Teilchen zu vergleichen, der von anderen Teilen des Detektors gemessen wurde.

Die Ergebnisse dieser Überwachungssysteme halfen, die Kalibrierungsverfahren für die Energiemessungen anzupassen und so die Stabilität auch bei erhöhtem Pileup und Strahlungsniveaus in Run 2 zu gewährleisten.

#Überwachung der Energieantwort

Ein spezielles Lichtüberwachungssystem injizierte Laserlicht in den ECAL, um dessen Reaktion zu messen. Dieses System half, Variationen in der Energieantwort der Kristalle aufgrund von Strahlenschäden zu erkennen. Häufige Aktualisierungen der Kalibrierungsparameter basierend auf diesen Messungen waren entscheidend, um die Genauigkeit zu erhalten.

#Rekonstruktion von Elektronen und Photonen

Der Prozess der Rekonstruktion des Weges und der Energie von Elektronen und Photonen ist entscheidend für eine ordnungsgemässe Analyse. Der ECAL verwendet Algorithmen, die die Eigenschaften der Teilchen und die in den Kristallen hinterlegte Energie berücksichtigen, um sie genau zu identifizieren.

#Gruppierung von Energieeinlagen

Der Prozess beinhaltet das Gruppieren von Energieeinlagen rund um den Kristall, der die höchste Energie registriert hat (der Saatkristall). Diese Gruppierung hilft dabei, die Energie, die mit einzelnen Teilchen verbunden ist, genau zu bestimmen.

#Korrekturen für Energieverluste

Wenn Teilchen mit Material im Detektor interagieren, kann einige Energie verloren gehen oder falsch gemessen werden. Zusätzliche Korrekturen werden angewendet, um diese Verluste zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass die im ECAL aufgezeichnete Energie die wahre Energie der Teilchen genau widerspiegelt.

#Umgang mit Rauschen und Spitzen

Bei der Datenerfassung können zufällige Spitzen in den Signalen, die durch Rauschen verursacht werden, die Messungen verzerren. Der ECAL verwendet ausgeklügelte Filtermethoden, um diese Spitzen zu identifizieren und zu unterdrücken, um sauberere Daten für die Analyse zu gewährleisten.

#Verbesserte Spitzenabweisung

In Run 2 wurden Methoden zur Verbesserung der Identifizierung dieser Spitzen eingeführt. Durch ständige Aktualisierungen der Parameter, die definieren, was eine Spitze ausmacht, konnte das System eine hohe Effizienz bei der Erkennung gültiger Signale aufrechterhalten, während Rauschen herausgefiltert wurde.

#Leistungsbewertung

Um die Gesamtleistung des ECAL während Run 2 zu bewerten, wurden mehrere Kennzahlen berücksichtigt:

#Stabilität der Energieskala

Die Stabilität der Energieskala während des gesamten Datenerfassungszeitraums war sehr gut, mit Abweichungen von weniger als 0,1 % im Zylinder und 0,4 % in den Endkappen. Das war entscheidend für die Sicherstellung zuverlässiger Ergebnisse.

#Energieauflösung

Wie bereits erwähnt, blieb die Energieauflösung trotz der Herausforderungen durch erhöhte Strahlung und Pileup sehr hoch. Die Messungen für Elektronen mit geringer Bremsstrahlung spiegelten eine stabile Detektorleistung wider.

#Timing-Leistung

Die Zeitgenauigkeit des ECAL wurde ebenfalls bewertet. Verbesserungen in den Kalibrierungsprozessen führten zu einer Gesamtzeitgenauigkeit von etwa 190 Pikosekunden im Zylinder und etwa 280 Pikosekunden in den Endkappen.

#Zukunftsperspektiven

Die Techniken und Prozesse, die während Run 2 entwickelt wurden, werden weiterhin verfeinert und verbessert, während der LHC in seine nächste Betriebsphase geht. Die Herausforderungen durch erhöhte Luminosität und Strahlungslevel werden mit den verbesserten Methoden, die etabliert wurden, angegangen.

#Laufende Verbesserungen

Die CMS-Kooperation hat sich zum Ziel gesetzt, sicherzustellen, dass der ECAL auch in den nächsten Phasen der Datensammlung in der Lage bleibt, hochwertige Messungen zu liefern, selbst wenn sich die Bedingungen weiterentwickeln. Fortlaufende Überwachung und Kalibrierung werden eine Schlüsselrolle dabei spielen, die Leistungsniveaus, die in Run 2 erreicht wurden, aufrechtzuerhalten.

#Fazit

Die Leistung des CMS-Elektromagnetischen Kalorimeters bei Proton-Proton-Kollisionen während Run 2 hat dessen Effektivität und Anpassungsfähigkeit an neue Herausforderungen aufgezeigt, die durch erhöhte Energie und Teilcheninteraktionen entstehen. Die sorgfältige Kalibrierung und Überwachung gewährleisteten hohe Präzision bei den Energiemessungen, Stabilität der Energieskala und effizientes Triggern signifikanter Teilchenevents. Diese Erfolge bilden eine solide Grundlage für die laufenden Studien in der Teilchenphysik und tragen zum Verständnis grundlegender Aspekte unseres Universums bei.