Luminositätsdetektor

Eine wichtige Größe bei Hochenergiephysik-Experimenten wie PANDA ist die Luminosität \(\mathcal{L}\), die die Anzahl der Teilchenbegegnungen pro Zeit und Fläche angibt. Die momentane Luminosität \(\mathcal{L}\) setzt die gemessene Ereignisrate \(\dot{N}\) mit dem Wirkungsquerschnitt \(\sigma\) in Verbindung

\(\dot{N}=\sigma\cdot\mathcal{L}\).

Möchte man den Wirkungsquerschnitt \(\sigma\) eines bestimmten Prozesses im Experiment bestimmen, benötigt man Kenntnis über die absolute Zeit-integrierte Luminosität \(\int_t\mathcal{L}\) und die Anzahl der Ereignisse \(N\), denn es gilt

\(N=\sigma\cdot\int_t\mathcal{L}\)

Um eine Resonanz genau zu untersuchen wird der Beschleuniger auf verschiedene nahe beieinander liegende Energien eingestellt, bei denen die Resonanz erzeugt wird, und jeweils die Ereignisrate gemessen. Mit Hilfe der relativen Zeit-integrierten Luminosität kann man die verschiedenen Einzelmessungen relativ zueinander normieren und so vergleichen. Das Prinzip ist in diesem Bild veranschaulicht:

Resonanz-Scan

Die schwarze Kurve stellt die zu vermessende Resonanz dar. Die blauen Linien zeigen das Strahlprofil bei verschiedenen Energien und die blauen Punkte die jeweils gemessenen Ereignisraten. Werden die einzelnen Messungen relativ zueinander normiert erhält man die graue Kurve: Eine Faltung der eigentlichen Linienform der Resonanz und des Strahlprofils.

Messprinzip

Üblicherweise wird die Luminosität aus der Dichte des Targets und dem gemessenen Strahlstrom berechnet, die Genauigkeit hängt dann davon ab wie gut man die Dichte und den Strahlstrom messen kann. Man kann aber auch einen bereits gut bekannten Prozess als Referenz verwenden und mit der Ereignisrate so die Luminosität bestimmen. Im Falle von PANDA wird die elastische Antiproton-Proton-Streuung verwendet. Das bedeutet, dass die theoretischen Vorhersage für verschiedene Luminositätswerte mit der gemessene Streuwinkelverteilung verglichen wird, der Wert für den Vorhersage und Daten am besten zusammen passen ist die bestimmte Luminosität.

Die theoretische Vorhersage für den Wirkungsquerschnitt der elastischen Antiproton-Proton-Streuung setzt sich aus drei verschiedenen Teilen zusammen, dem Coulomb-Teil, dem hadronischem Teil und einem Interferenz-Teil. Der erste lässt sich sehr genau berechnen, aber bei den anderen beiden gibt es noch einige Unsicherheit. Für sehr kleinen Energieübertrag \(t\) und damit für sehr kleine Winkel sind diese beiden Teile aber sehr klein und nur der genau bekannte Coulomb-Teil ist groß.

Wirkungsquerschnitte für elastischen Antiproton-Proton Streuung

Um also genaue Werte für die Luminosität zu erhalten, muss der Streuwinkel bei extrem kleinen Winkeln gemessen werden, dafür kommt bei PANDA der eigens zu diesem Zweck entwickelter Luminositätsdetektor etwa 11m hinter dem Interaktionspunkt zum Einsatz. Um aus den gemessenen Spuren die Luminosität bestimmen zu können, müssen die Spuren durch die beiden Magnetfelder zurück zum Interaktionspunkt des PANDA Detektors extrapoliert werden, damit sie mit dem theoretischen Modell verglichen werden können.

Aufbau

Um bei kleinen Winkeln messen zu können, ist der Luminositätsdetektor 11 Meter vom Wechselwirkungspunkt nahe an der Strahlröhre platziert. Zum Nachweis der gestreuten Antiprotonen kommen neuartige Siliziumpixelsensoren (HV-MAPS) zum Einsatz. Diese werden in 4 Lagen zu je 100 HV-MAPS angeordnet, um die Spur der Antiprotonen zu rekonstruieren. Zur Minimierung von Vielfachstreuung, welche die Auflösung verschlechtern würde, befinden sich die Sensoren in einem Vakuum und werden auf eine Dicke von weniger als 50 µm gedünnt. Eine Trennung des Strahlrohrvakuums vom Vakuum des Luminositätsdetektors wird durch eine aluminisierte PET-Folie erreicht. Die Positionierung der Sensoren im Vakuum, macht eine aktive Kühlung notwendig. Dazu werden die HV-MAPS auf dünne CV-Diamanten aufgeklebt, welche wiederum in einer von acht Halbebenen aus Aluminium montiert sind. Jede Halbebene umschließt außerdem ein Edelstahlrohr, durch das Alkohol bei -25°C gepumpt wird. Zum Betrieb und Auslese der Sensoren wird weitere Elektronik benötigt (Signalrepeater, Spannungswandler). Mit dieser Elektronik bestückte Leiterplatten werden ebenfalls im Vakuum auf die Aluminiumhaltestrukturen montiert.

Luminositätsdetektor

Datenauslese

Die Sensorendaten werden über LVDS-Signale an FPGAs weitergeleitet. Dort werden die Trefferdaten formattiert und zeitlich sortiert. Die Daten werden dann über optische Datenkabel an die Auslesecomputer geschickt. Dort werden mit Hilfe von hochparallelen GPU-Algorithmen die Parameter der Antiprotonspuren aus den Trefferdaten extrahiert und für die weitere Analyse gespeichert.