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Ausrichtung des ALICE Übergangsstrahlungsdetektors sowie Zweiteilchenintensitätsinterferometrie identischer Pionen aus p+p Kollisionen bei LHC Energien von 900 GeV und 7 TeV

Huber, Sebastian :
Ausrichtung des ALICE Übergangsstrahlungsdetektors sowie Zweiteilchenintensitätsinterferometrie identischer Pionen aus p+p Kollisionen bei LHC Energien von 900 GeV und 7 TeV.
TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ausrichtung des ALICE Übergangsstrahlungsdetektors sowie Zweiteilchenintensitätsinterferometrie identischer Pionen aus p+p Kollisionen bei LHC Energien von 900 GeV und 7 TeV
Language: German
Abstract:

Diese Promotion beschäftigt sich mit dem Large Hadron Collider (LHC), welcher im November 2009 erste Daten lieferte. Eigentlich war vorgesehen, dass schon Ende des Jahres 2008 Kollisionen stattfinden. Der erste Startversuch am 10. September war auch partiell erfolgreich, doch kam es nach einer Woche, am 19. desselben Monats, zu einem Unfall im Sektor 3-4, der eine Reihe von Fokussier- und Beschleunigungsmagneten des Synchrotrons beschädigte und eine Verzögerung auf Grund von Reparaturen von einem Jahr nach sich zog. Nach erfolgter Wiederherstellung, weiteren Tests, sowie einer zweiten Periode der Datennahme zum Zweck der Kalibrierung und Ausrichtung, dem Alignment, mittels kosmischer Strahlung wurde am 23. November und schließlich am 6./7. Dezember 2009 auch mit stabilem Strahl mit der Kollision von Protonen (p+p) bei einer Schwerpunktsenergie √sNN von 900 GeV begonnen. Nach einem planmäßigen Betriebsstopp über den Winter startete am 30. März 2010 der erste lange Lauf des LHC. Es wurden wiederum Protonen, diesmal jedoch mit der Weltrekordschwerpunktsenergie von 7 TeV, zur Kollision gebracht. Nach erfolgreicher Datennahme im System p+p endete dieser Lauf am 16. Dezember 2010. Den letzten Monat erfolgten Stöße von Bleiionen (Pb+Pb) bei 2.76 TeV pro Nukleon. Dieses Programm wird auch in den folgenden Jahren die Physik des LHC liefern, wobei eine Steigerung der Schwerpunktsenergie bis zu 14 TeV für Proton-Proton und bis zu 5.5 TeV pro Nukleonpaar für Blei-Blei Kollisionen geplant ist.

A Large Ion Collider Experiment (ALICE) ist eines der vier großen Experimente am LHC. Eines seiner Subsysteme ist der ALICE Übergangsstrahlungsdetektor oder Transition Radiation Detector (TRD). Dieser schließt direkt an die Zeitprojektionskammer, auch Time Projection Chamber (TPC), bei einem Abstand zur Strahlführung von etwa 3 m an und hat in ϕ eine Akzeptanz von 360◦. In Pseudorapidität bedeckt der TRD einen Bereich von -0.84 bis 0.84, was einem Winkel vom Vertex von ±45 entspricht. Er ist modular konzipiert und besteht aus 18 identischen Supermodulen, welche aus jeweils 30 Kammern, zusammengefasst zu je fünf Stacks pro Sektor, aufgebaut sind. Dies macht insgesamt 522 Kammern, wobei jede dieser als autarker Übergangsstrahlungsdetektor arbeiten kann. Wegen begrenzter Präzision während der Montage der TRD Supermodule von etwa 10 mm sowie der Kammern innerhalb der Sektoren von etwa 1 mm und wegen zeitabhängiger Veränderungen unterscheidet sich die realen Positionen der einzelnen Komponenten von der idealen, der Rekonstruktion zu Grunde liegenden, Geometrie. Hierdurch kommt es zu einem Verlust an Effizienz und Auflösung, da manche Teilchenbahnen im Übergangsstrahlungsdetektor sehr schlecht in der Position bezüglich der wahren Trajektorie, andere gar nicht gefunden werden. Ziel der Ausrichtung des TRD ist es während der Umwandlung der gemessenen Detektorsignale in digitale räumliche Positionen, der Rekonstruktion, diese geometrischen Ungenauigkeiten zu minimieren und so eine möglichst hohe Rekonstruktionseffizienz und Auflösung zu gewährleisten. Hierzu wird die AliROOT Alignmentumgebung verwendet. Zuerst werden die, durch kosmische Strahlung oder LHC Kollisionen, im Detektor erzeugten Spuren ob ihrer Tauglichkeit für die Ausrichtung untersucht und durch Auswahlkriterien, sogenannte Cuts, nur solche zugelassen, die geeignet erscheinen. Aus ihnen können die Korrekturen der Positionen der einzelnen Substituenten des TRD errechnet werden. Dies sind die Stellungen der 18 Supermodule gegen über der, als ideal ausgerichtet angenommenen, TPC, sowie die Positionen der 522 Kammern im Referenzsystem ihrer jeweiligen Stacks. Das Ergebnis der Ausrichtung sind sechs Korrektur- oder Alignmentparameter für jedes Modul des TRD in seinem jeweiligen Referenzsystem, drei Verschiebungen in Richtung der Achsen im lokalen Koordinatensystem des TRD - Verschiebung in z- (Shift z), in rϕ- (Shift rϕ) sowie in r-Richtung (Shift r). Zusätzlich ist eine Verdrillung oder Rotation um diese drei Achsen möglich. Dies sind die drei Tilts - Rotation um die z- (Tilt z), die ϕ- (Tilt ϕ) und die r-Achse (Tilt r). Die Korrekturparameter werden in der Offline Condition Data Base (OCDB) gespeichert und bei erneuter Rekonstruktion der Daten mitberücksichtigt. Schlussendlich wird kontrolliert, ob sich die Auflösung und die Effizienz des TRD auf diese Art verbessern lassen. Die Supermodule konnten bezüglich der TPC bis zu einer Genauigkeit von 1000 μm, die Kammern innerhalb ihrer Stacks bis zu 300 μm, unterhalb der maximalen Auflösung (Tracklets bezüglich Teilchentrajektorie) des TRD von > 400 μm, genau positioniert werden.

Der zweite Teil dieser Promotion beschäftigt sich mit der Zweiteilchenintensitätsinterferometrie. Dieses, nach Robert Hanbury Brown (1916-2002) und Richard Twiss (1920-2005) auch HBT genannte, Verfahren stellt eine Möglichkeit dar, in Kollisionen von Schwerionen, aber auch in hadronischen Systemen wie Proton-Proton Stößen, Zugang zur raumzeitliche Entwicklung der teilchenemittierenden Quelle zu gewinnen. Mit dieser Methode, deren erste Ideen bis in die fünfziger Jahre des letzten Jahrhunderts zurückreichen, wurden auch die Daten des ALICE Experiments am LHC analysiert. Die für die Intensitätsinterferometrie identischer Pionen (π+π+ und π−π−) genutzten Systeme waren p+p bei Schwerpunktsenergien √sNN von 900 GeV und 7 TeV sowie Schwerionenkollisionen in Pb+Pb bei 2.76 TeV pro Nukleonpaar. Zuerst wurde das System p+p bei der Schwerpunktsenergie √sNN von 900 GeV untersucht [Aamodt, K. et al., 2010b]. Die Daten, die hierfür im Dezember 2009 sowie in einem zweiten Lauf im April 2010 genommen wurden, lieferten einen eindimensionalen HBT-Radius von 0.83±0.05(sys.)±0.07(stat.) fm. Bemerkenswert ist, dass sich, wie schon in älteren Experimenten in leichten Systemen, herausstellte, dass die Korrelationsfunktion schlecht durch einfache gaussförmige Parametrisierung zu approximieren war. Um einen akzeptablen Fit zu bekommen, wurde auf eine Exponentialfunktion zurückgegriffen. Auch wurden bei größeren invarianten Paarimpulsen langreichweitige Korrelationen gesehen. Ein Skalieren mit dem Paarimpuls kT konnte nicht zweifelsfrei verifiziert werden. Aus dreidimensionaler gaussförmiger Parametrisierung ergaben sich die Radien Rout = 0.79±0.09(sys.)±0.05(stat.) fm, Rside = 0.62±0.08(sys.)±0.06(stat.) fm sowie Rlong = 1.24±0.07(sys.)±0.10(stat.) fm. Ihre Abhängigkeit von der Ereignismultiplizität dNch/dη wurde festgestellt. Dagegen ist die Abhängigkeit von der transversalen Paarimpulssumme kT in drei Dimensionen schwächer ausgeprägt als in älteren Untersuchungen und hängt von der verwendeten Anpassung des nichtfemtoskopischen Untergrundereignisses, der Grundlinie, ab. Ebenso wurden die Daten aus p+p Kollisionen des LHC bei einer Weltrekordschwerpunktsenergie √sNN von 7 TeV analysiert. Für die eindimensionale Intensitätsinterferometrie im Schwerpunkts- oder Centre of Mass System (CMS) ergab sich aus einer Parametrisierung nach Goldhaber ein invarianter Radius RInv = 1.02±0.04(sys.)±0.04(stat.) fm. Aus einer dreidimensionalen Betrachtung Rout = 0.82±0.04(sys.)±0.01(stat.) fm, Rside = 0.75±0.03(sys.)±0.02(stat.) fm sowie Rlong = 1.41±0.05(sys.) ±0.04(stat.) fm. Ähnlich wie bei 900 GeV konnte eine ausgeprägte Abhängigkeit der Radien von der Multiplizität dNch/dη beobachtet werden. Interessant ist, dass der Unterschied der transversalen Dimensionen der pionemittierenden Region in identischen Multiplizitätsbins zwischen den beiden vermessenen Energien vernachlässigbar ist. Zuletzt konnten mit den Daten aus LHC Kollisionen in p+p bei √sNN = 7 TeV erstmals eine Verbindung in der Multiplizität zu peripheren Schwerionendaten niedriger Energien hergestellt werden [Aamodt, K. et al., 2011d].

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This PhD thesis deals with results from the Large Hadron Collider (LHC), which provided first data in September 2009. Intrinsically it was foreseen that first collisions should already occur end of 2008. On September the 10th the first beam event was partially successful, but after a week of running an accident in the sectors 3 and 4 spoiled some of the magnets of the synchrotron. This caused a delay of almost one year due to the necessary repairs. After repairing and some further test for the purpose of calibration and alignment of the subsystems with cosmic rays on the 23rd of November and ultimately with stable beam on the 6/7th of December 2009 collisions of protons (p+p) at an energy of √sNN = 900 GeV took place. After an intended winter stop the first long run of the LHC commenced on the 30th of March 2010. Like in the previous years protons with an increased world record energy of 7 TeV were brought to collision. After 7 month of continuous data taking in p+p the last month of running was dedicated to lead collisions (Pb+Pb) at 2.76 TeV per nucleon. This will be the foreseen program for the next years of data taking with the LHC. On the long run the energy will be increased to 14 TeV in p+p and 5.5 TeV per nucleon in Pb+Pb. A Large Ion Collider Experiment (ALICE) is one of the four major detectors at the LHC and the only one dedicated to heavy ion physics. It is divided into 13 subsystems. One of these is the ALICE Transition Radiation Detector (TRD), which is installed around the Time Projection Chamber (TPC) at a distance of 3 m to the beam pipe. The acceptance in ϕ covers the complete 360◦. The coverage of the TRD in pseudorapidity is ±0.84, comparable to an angle of 45°. This subsystems concept is intentionally modular, being composed of 18 supermoduls, each containing 30 chambers. Always 6 such small units in a row (in r direction) are called a stack. Altogether the TRD is made up of 522 chambers, each of them being able to work as a self-sustaining small Transition Radiation Detector. Because of the limited precision while the integration of the supermoduls into the ALICE detector, they are shifted in average by 10 mm with reference to their ideal dedicated position. Furthermore the chambers are misaligned up to 1 mm relative to their stack. This imprecise installation together with time dependant changes of the real positions relative to the ideal geometry leads to a loss in detector efficiency and resolution. Some tracks are badly reconstructed concerning true trajectory others are even not found. Aim of the alignment of the TRD is the minimization of the above described geometrical uncertainties while the conversion of the detector signals into digital position informations, the so called reconstruction. This leads to a better tracking efficiency and resolution in the TRD. For this purpose the AliROOT alignment framework was developed. In the first step, the tracks which can come from cosmic rays or collisions in the LHC are examined concerning there usefulness for the alignment. Some cuts are applied. With the tracks which pass these cuts it is possible to calculate the necessary corrections of the positions for the supermoduls and chambers of the TRD. The supermoduls are aligned relative to the TPC which is suggested to be in an ideal position and the chambers are positioned concerning the remaining 5 chambers of their stack. As a result one receives six correction parameters (alignment parameters) for each alignable module of the TRD (supermoduls and chambers) in the chosen reference frame. These parameters are the three shifts along the axis in the local frame - z shift, rϕ-shift and r-shift, as well as the three rotations or tilts around these axis - z-tilt, ϕ-tilt and r-tilt. The extracted correction parameters are stored in the of Offline Condition Data Base (OCDB) and used when doing a new reconstruction cycle. In the end the efficiency and resolution of the TRD are monitored. The final position uncertainty of the supermoduls concerning the TPC was below 1000 μm. The position uncertainty of the chambers within their stacks appears to be around 300 μm. This is below the resolution (tracks relative to tracklets) of the TRD which reveals values higher than 400 μm. The second part of this thesis deals with two particle intensity interferometry. HBT, named after Robert Hanbury Brown (1916-2002) and Richard Twiss (1920-2005), reveals one possible way of gaining access to the space time evolution of the particle emitting source in p+p as well as in heavy ion collisions. The data of ALICE where analysed with this method, which first ideas trace back to the fifties of the last century. The systems for intensity interferometry of identical pions (π+π+ und π−π−) which we analysed were p+p at √sNN = 900 GeV as well as 7 TeV, and heavy ion collisions in Pb+Pb at √sNN= 2.76 TeV per nucleon. The first data we looked at were identical 900 GeV p+p pions [Aamodt, K. et al., 2010b]. This data set was collected in December 2009 as well as in April 2010. The one dimensional HBT radius obtained was 0.83±0.05(sys.) ±0.07(stat.) fm. It was remarkable that, like in preceding experiments in small systems, one was not able to fit the correlation function with a simple gaussian form (like in heavy ion systems). An exponential function was used to gain acceptable results. Furthermore we saw long range correlations at higher invariant pair momenta. A scaling behaviour with KT could not be verified by implication. Looking at the three dimensional parametrization one gets the HBT radii Rout = 0.79±0.09(sys.)±0.05(stat.) fm, Rside = 0.62±0.08(sys.)±0.06(stat.) fm as well as Rlong = 1.24±0.07(sys.)±0.10(stat.). Their dependency on the event multiplicity dNch/dη was obvious, whereas the scaling with the pair momentum kT was not as strong as in prior studies. In addition this dependency of the HBT radii on the pair momenta depends on the subtraction of the nonfemtoscopic background. The world record 7 TeV p+p data of the LHC were analysed the same way. In the Centre of Mass System (CMS) the invariant one dimensional HBT radius was RInv = 1.02± 0.04(sys.)±0.04(stat.) fm. The results of a three dimensional treatment of the data were Rout = 0.82±0.04(sys.)±0.01(stat.) fm, Rside = 0.75±0.03(sys.)±0.02(stat.) fm and Rlong = 1.41±0.05(sys.)±0.04(stat.) fm. Like in the 900 GeV data a pronounced dependency of the radii on the event multiplicity was discoverable. Another very interesting result that appeared was that the transverse dimensions of the pion emitting region do not significantly differ in the two observed energies (looking at equal multiplicity bins). In the end with the 7 TeV data it was possible to establish a link in multiplicity between proton collisions and peripheral heavy ion collisions at RHIC energies [Aamodt, K. et al., 2011d].English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Pion, HBT, Intensitätsinterferometrie, Quellgröße, Alignment, Ausrichtung, Transition Radiation Detector, TRD, LHC, ALICE
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
pion, HBT, intensity interferometry, source size, alignment, transition radiation detector, TRD, LHC, ALICEEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 14 Sep 2011 06:02
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26971
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Braun-Munzinger, Prof. Dr. Peter and Wambach, Prof. Dr. Jochen
Refereed: 15 July 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2697
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