Siliziummodule für den Inner Tracker

Der LHCb-Detektor

Mit dem Experiment LHCb wollen Physiker dem Unterschied zwischen Materie und Antimaterie auf die Spur kommen. Dazu nutzen sie einen speziell für diese Aufgabe entwickelten Detektor.

Schemazeichnung der verschiedenen Subdetektoren des LHCb-Experiments. Die einzelnen Nachweisgeräte sind hintereinander angeordnet.
Der LHCb-Detektor

Der LHCb-Detektor ist im Prinzip genauso aufgebaut wie die anderen Experimente am LHC. Im Unterschied zu ATLAS und CMS sind die Komponenten von LHCb aber nicht zwiebelschalenartig um den Kollisionspunkt herum angeordnet, sondern umschließen das Strahlrohr in Form eines Kegels auf nur einer Seite des Wechselwirkungspunkts – der sogenannten Vorwärtsrichtung. Der erste Subdetektor von LHCb, der Vertexdetektor, befindet sich direkt am Kollisionspunkt, weitere Komponenten folgen auf einer Länge von zwanzig Metern. Diese Geometrie ist auf den Nachweis von Beauty-Hadronen optimiert, also Teilchen, die ein Beauty-Quark beinhalten. Diese werden vorwiegend in Vorwärtsrichtung produziert.

Vertexdetektor

Foto von glänzenden halbkreisförmigen Siliziumscheiben, die in einer Reihe hintereinander montiert und verkabelt sind.
Der Vertexdetekor von LHCb

Eine spezielle Eigenschaft von Beauty-Hadronen ist, dass sie im Mittel ein bis zwei Zentimeter weit im LHCb-Detektor fliegen, bevor sie in weitere Teilchen zerfallen. Das ist ein wichtiges Merkmal, mit dessen Hilfe die Kollisionsereignisse, die ein Beauty-Hadron enthalten, von den um ein Vielfaches häufiger auftretenden anderen Ereignissen unterschieden werden können. Ebenso kann aus der Flugstrecke der Beauty-Hadronen im Detektor auf ihre Lebensdauer geschlossen werden, die der Schlüssel zu vielen Asymmetriemessungen ist. Deshalb ist eine präzise Messung der Position der Teilchen direkt am Entstehungs- und am Zerfallsort extrem wichtig für das Physikprogramm von LHCb.

Der Vertexdetektor besteht aus zwei Hälften mit je 21 Siliziummodulen. Ein solches Modul besteht aus zwei halbkreisförmigen Siliziumstreifendetektoren, deren innerer Rand nur fünf Millimeter vom LHC-Teilchenstrahl entfernt ist. Die Siliziumscheiben sind in über zweitausend extrem schmale Streifen unterteilt, die den Durchflug eines Teilchens als elektrisches Signal registrieren und so den Durchgangsort des Teilchens auf einige Hundertstel Millimeter genau bestimmen können. Damit das Strahlrohr die bei der Kollision entstehenden Teilchen nicht ablenkt, bevor sie im Vertexdetektor nachgewiesen werden können, wurde es im Bereich des Vertexdetektors durch eine sehr dünne Folie ersetzt.

Spurdetektoren vor und hinter dem Magneten

Foto von glänzenden, rechteckigen, miteinander verdrahteten Siliziumscheiben; Person arbeitet daran.
Siliziummodule für den Inner Tracker

Neben der genauen Ortsauflösung der Zerfallsprodukte der Beauty-Hadronen ist eine gute Impulsauflösung entscheidend. Nach dem Durchgang durch den Vertexdetektor durchqueren die Teilchen ein Magnetfeld und werden dann hinter dem Magneten in Spurdetektoren nachgewiesen. Die Kombination der Information über die Spurbahn vor und nach dem Magneten erlaubt es, die Ablenkung im Magnetfeld zu rekonstruieren und daraus auf den Impuls der Teilchen zu schließen. Je weniger das Teilchen im Magneten abgelenkt wird, umso größer ist sein Impuls.

Das Spursystem hinter dem Magneten besteht aus dem Inner Tracker, einem zwölflagigen Siliziumdetektor nahe an der Strahlachse, und aus zwölf sechs mal fünf Meter großen Spurkammern, dem sogenannten Outer Tracker, der aus über 55.000 einzelnen Gasdetektoren besteht. Für das Spursystem wurde ein spezieller Auslesechip entwickelt, der die Signale der durch die Kammern fliegenden Teilchen vierzig Millionen Mal pro Sekunde ausliest und an eine Computerfarm weiterleitet. An der Entwicklung, dem Bau und der Inbetriebnahme der Spurkammern und ihrer Ausleseelektronik sind die deutschen Gruppen des Physikalischen Instituts für Physik der Universität Heidelberg, der Technischen Hochschule Dortmund und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg maßgeblich beteiligt.

Foto eines Elektronikchips mit seiner Verdrahtung.
Auslesechip für den Inner Tracker

Neben dem Hauptspursystem hinter dem Magneten gibt es vier weitere Lagen Siliziumdetektoren, die sich kurz vor dem Magneten befinden. Messungen in diesem Detektor helfen, die Spurbahnen vor und nach dem Magnetfeld eindeutig einander zuzuordnen. Die Messung der Teilchenspuren vor, im und hinter dem Magneten erlaubt es, die Massen der Beauty-Hadronen und anderer Teilchen auf etwa ein halbes Prozent genau zu bestimmen.

Teilchenidentifikation

Beim Zerfall eines Beauty-Hadrons entstehen meist zwei bis acht Teilchen, vor allem Pionen, Kaonen, Elektronen, Myonen und Protonen. Neben diesen Teilchen aus dem Zerfall des Beauty-Hadrons werden in der Kollision allerdings noch etwa zweihundert weitere Teilchen produziert, die für die Datenanalyse als „Untergrund“ gelten. Die Zerfallsspuren von Beauty-Hadronen sind relativ niederenergetisch und deshalb nur schwer von den Untergrundspuren zu unterscheiden. Zu wissen, ob ein rekonstruiertes Teilchen ein Pion, Kaon, Elektron, Myon oder Proton war, hilft deshalb sehr, die Anzahl der Kombinationen von Spuren zu reduzieren, die eventuell aus dem Zerfall eines Beauty-Hadrons stammen.

Links: Schemazeichnung von verschiedenen Modulen, die zu einem 3,8 Meter hohen Nachweisgerät zusammengesetzt sind.  Mitte: Foto von verschiedenen neben- und übereinander montierten Spiegeln  Rechts: Foto einer Vielzahl von wabenförmig nebeneinander angeordneten, runden Nachweisgeräten.
RICH-Detektoren von LHCb

Licht bewegt sich in einem Medium langsamer als im Vakuum. Wenn ein Teilchen schneller durch ein Medium fliegt als diese Lichtgeschwindigkeit, wird sogenannte Tscherenkowstrahlung erzeugt. Aus dem Öffnungswinkel des Lichtkegels der Tscherenkowstrahlung kann man die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmen. In Kombination mit der Impulsmessung im Spursystem kann so auf die Teilchenmasse und damit auf den Teilchentyp geschlossen werden. Für Spuren bis zu hundert Gigaelektronenvolt (1 GeV entspricht 1.000.000.000 eV) kann in den RICH-Detektoren (Ring Imaging Cherenkov) des LHCb-Experiments eine gute Trennung der Signale unterschiedlicher Teilchentypen erzielt werden. Damit wird der Energiebereich, in dem die Zerfallsprodukte der Beauty-Hadronen erwartet werden, vollständig abgedeckt. Das LHCb-Experiment ist der einzige Detektor am LHC, der solche Tscherenkowdetektoren einsetzt.

Neben dem RICH-Detektor werden bei LHCb auch Kalorimeter eingesetzt, die insbesondere zum Nachweis von Photonen, Elektronen und Hadronen benutzt werden. Zusätzlich erlauben Myonkammern die Identifizierung von Myonen im Experiment.

Triggersystem

Im LHCb-Detektor werden jede Sekunde rund zehn Millionen Proton-Proton-Kollisionen stattfinden. Alle diese Ereignisse aufzuzeichnen, ist aufgrund des beschränkten Speicherplatzes schlichtweg unmöglich. Deshalb muss in Echtzeit entschieden werden, welche Ereignisse interessant sind und aufgezeichnet werden sollen. Diese Entscheidung trifft das sogenannte Triggersystem.

Der LHCb-Trigger besteht aus zwei Stufen. Basierend auf Signalen im Vertexdetektor, in den Kalorimetern und im Myonsystem reduziert die erste Stufe die Rate von zehn Millionen auf eine Million Ereignisse pro Sekunde – neun Millionen werden verworfen. Nach diesem Filterschritt bleibt noch eine Datenmenge von 35 Gigabyte (das entspricht etwa acht DVDs) pro Sekunde, die von zweitausend Computern parallel verarbeitet wird. Hier bleiben einige Millisekunden, um zu entscheiden, ob ein Ereignis womöglich ein Beauty-Hadron enthält und es deshalb wert ist, analysiert zu werden. Alle Information, die auf Triggerebene aussortiert wird, ist unwiederbringlich verloren. Deshalb ist es sehr wichtig, auf den Triggerfarmen schnelle, aber eben auch sorgfältige Entscheidungen zu treffen.

Im ersten Teil des Artikels erfahren Sie mehr zur Physik, die mit dem LHCb-Experiment erforscht wird.