LHC - ALICE Detektor

LHC Status: Run III

Allgemeines

• Name: ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• Länge: 25 m
• Breite: 16 m
• Höhe: 16 m
• Gewicht: 10000 Tonnen
• Position: IP 2

ALICE ist für den Nachweis und die Untersuchung von Quark-Gluon-Plasmen ausgelegt. Um eine sehr hohe Kollisionsenergie zu erreichen, entschied man sich für die Kollision von Bleiionen, da diese bereits eine sehr hohe Ruhemasse

besitzen. Der ALICE Detektor wird aber auch leichtere Stosssysteme untersuchen, wie Proton-Proton-Kollisionen. Im Zentrum des ALICE-Detektors kollidieren die Bleiionen mit einer Schwerpunktsenergie

bei 5,5TeV pro Kernbestandteil mit einer Rate von 8 kHz.

Bei einer solchen Kollision entsteht ein winziger Feuerball von sehr hoher Temperatur (ca. 10 Billiarden Grad Celsius). Liegt diese Temperatur über einem kritischen Wert, so liegen Theorien zufolge Quarks und Gluonen nicht mehr im hadronischen Zustand (confinement) vor. Es bildet sich ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Man geht davon aus, dass sich das frühe Universum, kurz nach dem Urknall, in einem ähnlichem Zustand befunden haben muss.
Dieser Feuerball expandiert adiabatisch

und kühlt dabei ab. Wird eine kritische Temperatur unterschritten, kommt es zur Hadronisation (Rehadronisierung), bei der eine Vielzahl von Mesonen und Baryonen entsteht, welche beim Abkühlen des Feuerballs voneinander entkoppeln und den Feuerball verlassen. Dabei enstehen bis zu 20000 Spuren pro Ereignis.

ALICE ist ein Schlüsselexperiment zur Erforschung des Quark-Gluon Plasmas und folglich zur Entdeckung neuer Physik.

Detektoraufbau

ALICE hat zwei Hauptteile; den zylinderförmigen Zentralteil und den Myonen Arm. Das komplette Detektor System besteht aus, auf die Indikatoren und untereinander abgestimmten, Subdetektoren.


ALICE-Detektor	Quelle: CERN

Inner Tracking System (ITS):

Das Inner Tracking System ist derjenige Detektor, der sich am dichtesten am Kollisionspunkt befindet. Er dient zur Detektion der ersten Teilchenschauerbildungen (vor allem Strange- und Top-Quarks) welche kurz nach einer Kollision entstehen. Ausserdem soll er Teilchen mit niedrigem Impuls auffinden und identifizieren. In Zusammenarbeit mit der TPC tragen die Daten des ITS zur Verbesserung der Impuls- und Winkelauflösung bei. Das System besteht aus sechs Siliziumschichten, welche zylindrisch um das Strahlrohr herum angebracht sind. Das Strahlrohr bestimmt den inneren Radius des ITS von ca. 3 cm dieses Detektors. Der äussere Radius beträgt ca. 50 cm und ist auf die gemeinsame Spurerkennung mit der TPC abgestimmt. Die Ausdehnung in Strahlrohr-Richtung beträgt ca. 1 m, was eine aktive Fläche von ungefähr 7 m² ergibt.


Inner Tracking System	Quelle: CERN

Time Projection Chamber (TPC):

Die Zeit-Projektions-Kammer ist der wichtigste Unterdetektor des ALICE-Experimentes und liefert die grösste Datenmenge. Die TPC dient zusammen mit den anderen Detektoren des Zentralbereichs (ITS und TRD) der Teilchenidentifikation, Impulsmessung, Vertexbestimmung und der Bestimmung weiterer physikalischer Grössen. Als Primärvertex wird im allgemeinen der Ursprung (Kollisionspunkt) der Teilchenschauer bezeichnet. Sekundäre Vertices bezeichnen die nachfolgenden Teilchenzerfälle. Die TPC hat die Form eines Hohlzylinders mit einem Durchmesser von 5,56 m sowie einer Länge von 5,1 m. Sie ist mit 88 m³ eines Gasgemisches aus 90 % Neon und 10 % Kohlendioxid gefüllt. In der Mitte dieses Hohlzylinders befindet eine zentrale Hochspannungselektrode (parallel zu den Endkappen des Hohlzylinders), so das ein elektrisches Feld zwischen Hochspannungselektrode und den beiden Endkappen angelegt werden kann. Dadurch wandern die Elektronen, die von den nachzuweisenden Teilchen aus den Gasatomen herausgelöst wurden, in weniger als 100 µs zu den beiden Endkappen. Hier werden sie dann von ca. 570 000 Vieldraht-Proportional-Kammern detektiert. Die maximale Auslesefrequenz der TPC liegt bei 200 Hz. Die TPC wird so bezeichnet, weil die Driftzeit der Teilchen die entscheidende Rolle bei der Teilchenidentifikation spielt.


Transport der TPC-Einheit	Quelle: CERN


Time Projection Chamber nach dem Einbau	Quelle: CERN

Transition Radiation Detector (TRD):

Der Übergangsstrahlungs-Detektor wird hauptsächlich als Trigger für die TPC benutzt, da aufgrund der relativ niedrigen Auslesefrequenz der TPC viele interessante Ereignisse verloren gingen, wird die TPC ohne Trigger betrieben.
Der TRD besteht aus 540 Detektormodulen. Jedes Modul besteht aus einem 4,8 cm dicken Radiator, in dem die Übergangsstrahlung entsteht, einem Vieldrahtproportional-Zählrohr

, sowie der Ausleseelektronik. Ausgelesen werden die Signale, die auf die Kathodenflächen induziert werden. Eine Kathodenfläche ist ungefähr zwischen 6 und 7 cm² gross. Jedes Modul hat 144 dieser Auslesekanäle in radialer Richtung und zwischen 12 und 16 dieser Reihen in Richtung der Strahlachse. Im gesamten TRD befindet sich somit eine aktive Fläche von ca. 736 m² die sich auf 1.16 Millionen Auslesekanäle aufteilt.
Die Driftkammern sind mit einem Gasgemisch gefüllt, welches aus 85% Xenon und 15% Kohlendioxid besteht. Bei einer Driftgeschwindigkeit von 1,5 cm/µs beträgt die Driftzeit durch die Driftkammer 2,0 µs. Jedes ionisierte Teilchen schlägt in dieser Kammer wiederum ca. 275 Elektronen pro Zentimeter aus den Gasatomen. Durch die folgende Gasverstärkung kann somit ein Signal ausgelesen werden.


Transition Radiation Detector	Quelle: CERN


Aufbau der Parallel-Platten Arrays des TRD-Detektors	Quelle: CERN

Time Of Flight (TOF):

Der Flugzeit-Detektor dient zur Bestimmung der Masse von Teilchen mit hohen Energien. Die Bestimmung der Teilchen mit kleineren Energien erfolgt über ihre spezifische Ionisation. Bei höheren Energien ist dies nicht mehr möglich und die Identifikation erfolgt über die Zeit, die das Teilchen vom Kollisionspunkt bis zum Detektor benötigt. Die TPC kann zusammen mit dem ITS Kaonen von Pionen mit kleinen Impulsen über ihre spezifische Ionisation unterscheiden. Grössere Impule werden von dem TOF Detektor übernommen. Der TOF Detektor besitzt ca. 1.4 Millionen Auslesekanäle. Diese sind in 6 Schichten radial um den Zentralbereich angeordnet. Das ganze System besitzt dabei eine Zeitauflösung von ca. 150 Picosekunden.


Einbau eines Parallel-Platten Arrays für den TOF-Detektor	Quelle: CERN

High Momentum Particle Identification Detector (HMPID):

Der Hochenergie-Teilchen-Identifikations-Detektor soll, wie der Name schon sagt, hochenergetische Teilchen identifizieren. Dazu zählen etwa Pionen, Kaonen und Protonen mit Impulsen von 1 bis 5 GeV/c. Beim HMPID handelt sich um einen Ring-Imaging-Cherenkovzähler (RICH), der aus sieben Modulen besteht, die oben zwischen TOF und dem L3-Magneten angebracht sind. Zur Identifikation wird aus dem Öffnungswinkel, der von den Teilchen emittierten Cherenkov-Photonen, die Geschwindigkeit der Teilchen ermittelt. So kann bei bekanntem Impuls ihre Masse berechnet werden.


Die 7 Module des HMPID	Quelle: CERN

Photon Spectrometer (PHOS):

Das Photon-Spektrometer dient zum Nachweis von hochenergetischen Photonen. Das PHOS besteht aus 3584 Blei-Wolfram-Kristallen, sog. Szintillatoren.
Das PHOS ist am unteren Rand des ALICE-Experimentes bei einem Radius von 4.6 Meter plaziert und nimmt eine Fläche von etwa 8 m² ein. Das Photonspektrometer bestimmt die Energie im Zentrum der Kollision über die abgegebene Wärmestrahlung.


Das PHOS besteht aus 3584 Blei-Wolfram-Kristallen	Quelle: CERN

Myonen-Spektrometer

Das Myonen-Spektrometer soll Myon-Paare nachweisen, die aus Quark-Zerfällen stammen. Die Myonen werden durch ein Array von Driftröhren nachgewiesen. Durchquert ein Myon eine solche Kammer, werden Elektronen durch Ionisation freigesetzt, welche von einer positiv geladenen Elektrode angezogen werden. Ein Dipolmagnet stellt ein Magnetfeld her, dass die Myonen ablenkt.


Myonenkammern. Rechts das Strahlrohr	Quelle: CERN

Absorber:

Das Myon-Spektrometer ist zum Schutz vor Hadronen und Photonen welche direkt aus dem Wechselwirkungspunkt stammen mit einem Absorber versehen, der sich innerhalb des Dipolmagneten befindet. Hinter einem zweiten Absorber, der zusammen mit dem ersten Absorber Myonen bis zu einem Impuls von 4 GeV/c abschirmt, befinden sich die Driftkammern welche zur Bahnrekonstruktion der Myonen dienen.


Einbau des Absorbers in den Dipolmagneten	Quelle: CERN


Blau: Absorber. Dahinter die Myonenkammern	Quelle: CERN

Photon Multiplicity Detector (PMD):

Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist der Photon Multiplicity Detector. Er bestimmt die Anzahl und die räumliche Verteilung der Photonen welche bei der Kollision entstehen. Die Triggersignale werden von einem zentralen Triggerprozessor aus den Beiträgen der einzelnen Teilsysteme erzeugt und verteilt. 1,2 µs nach der Kollision entscheiden die Daten des Vorwärts-Multiplizitätsdetektors (Forward Multiplicity Detector, FMD), ob die erste Triggerstufe, der Level-0-Trigger, ausgelöst wird. Nach etwas mehr als 6 mikrosek entscheidet der CTP dann, ob ein Level-1-Trigger auszulösen ist. Der Forward Multiplicity Detector besteht aus 5 grossen Silizium-Scheiben mit jeweils 10240 einzelnen Kanälen zur Messung der geladenen Teilchen.


Photon Multiplicity Detector	Quelle: CERN

L3 Magnet:

Der L3-Magnet umgibt die Detektoren des Zentralbereichs und lenkt die geladenen Teilchenschauer durch sein Magnetfeld ab. Durch die Stärke der Ablenkung kann bei bekanntem Impuls auf die Masse der Teilchen geschlossen werden. Der Magnet ist eine Wiederverwendung des früheren L3-Experiments. Er erzeugt eine Magnetfeldstärke ca. 0.5 Tesla.


Leerer L3-Magnet	Quelle: CERN

Dipolmagnet:

Um die Teilchenschauer im Myonenarm abzulenken, kommt ein Dipolmagnet zum Einsatz. Er hat ein Gewicht von 820 Tonnen und liefert er eine Magnetfeldstärke von 0.7 Tesla.


Dipolmagnet	Quelle: CERN