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ATLAS-Kalorimetrie

Montage des Endkappenkalorimeters im ATLAS-Experiment
Montage des Endkappenkalorimeters im ATLAS-Experiment (Foto: Roy Langstaff)

Die Kalorimeter im ATLAS-Experiment messen die Energien der Teilchen, die bei der Kollision von Protonen entstehen. Manche Teilchen dringen nur in die ersten Lagen der Kalorimeter ein (zum Beispiel Elektronen), andere deponieren ihre Energie über die gesamte Tiefe der Kalorimeter verteilt (zum Beispiel Pionen). Wieder andere hinterlassen kaum oder gar keine Energie im Kalorimeter (zum Beispiel Myonen und Neutrinos).

Die Information der Kalorimeter ist also entscheidend, um die bei der Kollision entstandenen Teilchen zu identifizieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des MPP haben das so genannte hadronische Endkappenkalorimeter von ATLAS mitentwickelt und mitgebaut. Dieser Teil des Kalorimeters schließt an die ersten Kalorimeterlagen an. Es entdeckt daher im wesentlichen Teilchen wie das Pion, die ihre Energie über die ganze Tiefe des Kalorimeters abgeben.

Trifft ein solches Teilchen auf das Kalorimeter, wird seine Energie in einen "Schauer" aus Teilchen umgewandelt. Diese neuen Teilchen ionisieren ein flüssiges Gas – Argon –, das in das Kalorimeter eingebettet ist. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die einen messbaren Strom erzeugen.

Das hadronische Endkappenkalorimeter deckt etwa ein Drittel des Winkelbereichs in ATLAS ab. Im zentralen und vorderen Drittel, die den Bereich des Endkappenkalorimeters einrahmen, übernehmen andere Kalorimetertypen die Aufgabe der Energiemessung.

Wie arbeitet das Kalorimeter?

Bei dem hadronischen Endkappenkalorimeter handelt es sich um ein so genanntes Sampling-Kalorimeter. Hier wechseln sich Kupferplatten und flüssiges Argon in regelmäßigen Abständen ab.  Die Kupferlagen dienen als Absorber und das Argon als Signalgeber.

Im Absorber findet die eigentliche Schauerbildung statt – hochenergetische Teilchen werden in zwei oder mehr Teilchen mit entsprechend weniger Energie umgewandelt. Diese fächern sich wiederum in viele Tochterteilchen auf. Der Prozess stoppt, wenn die Energie der Tochterteilchen zu klein wird, um weitere Teilchen zu erzeugen.

In den dünnen Argonschichten zwischen den Kupferplatten ionisieren die gerade vorhandenen Tochterteilchen das Argon. Mit Hilfe einer an den Argonschichten angelegten Hochspannung werden die dabei freigesetzten Elektronen abgesaugt und als Strom nachgewiesen. Der Ionisationsstrom pro Tochterteilchen ist konstant – und die Summe aller Ströme ein Maß für die Anzahl der Tochterteilchen im Schauer an dieser Stelle. Fasst man die Ströme aller Argonspalten zusammen, ergibt sich ein Maß für die ursprüngliche Energie des einfallenden Teilchens.

Die Hochspannungselektroden an den Argonspalten sind außerdem fein segmentiert, so dass auch die Position der Energiedeposition im Kalorimeter gemessen wird. Verstärkt werden die Strompulse gleich am Rand des Detektors – direkt im flüssigen Argon. Eine spezielle Elektronik aus Gallium-Arsenid Halbleitern macht dies möglich.

Mehr Informationen zur Gruppe "Kalorimetrie"

Gruppenmitglieder

Name Funktion Durchwahl www

Barillari, Teresa, Dr.

Scientist 369

Kiryunin, Andrey, Ph.D.

Scientist 286

McCarthy, Thomas George, Ph.D.

Scientist 540

Menke, Sven, Dr.

Scientist 410

www.mpp.mpg.de/~menke/

Oberlack, Horst, Dr.

Scientist 202

Salihagic, Denis, Dr.

Scientist 469

Schacht, Peter, Dr.

Scientist 228

Spettel, Fabian

PhD Student 386

Termine

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Schlüsselpublikationen

Topological cell clustering in the ATLAS calorimeters and its performance in LHC Run 1
ATLAS Collaboration, March 2016
arXiv:1603.02934

Upgrade plans for the Hadronic-Endcap Calorimeter of ATLAS for the high luminosity stage of the LHC,
F. Ahmadov et al, July 2015
ATL-LARG-PUB-2015-001

Construction, Assembly and Testing of the ATLAS Hadronic End-cap Calorimeter
D.M. Gingrich et al.
JINST 2 (2007) P05005

Cold electronics for the liquid argon hadronic end-cap calorimeter of ATLAS
J. Ban et al.
NIM A 556 (2006) 158-168

Hadronic calibration of the ATLAS liquid argon end-cap calorimeter in the pseudorapidity region 1.6 < |η| < 1.8 in beam tests
ATLAS Liquid Argon EMEC/HEC Collaboration
Nucl.Instrum.Meth. A531 (2004) 481-514