Hell und schnell: Neue Luminometer liefern wichtige Daten für CMS

Im Herzen von CMS: das neue Detektorteil wird eingesetzt. Foto: CERN

Es mag zwar ein vergleichsweise winziges Bauteil im riesigen CMS-Detektor sein, aber die letzte Woche eingebauten “online Luminometer” werden aus der späteren Datenanalyse bei CMS nicht wegzudenken sein. Sie messen die Zahl der Protonenkollisionen pro Sekunde und liefert so einen zentralen Parameter, eine Normgröße für das richtige Verständnis der Daten: die Luminosität. Außerdem zählen sie Teilchen des vom Strahl kommenden Hintergrundrauschens. Beide Zählraten werden im Sekundentakt an die zentralen Kontrollräume von CMS und LHC gesendet. Dort können die Physiker dann die Bedingungen für die Datennahme im Experiment und die Strahlparameter am LHC optimieren.

Letzte Woche wurden die zwei neuen Luminometer in CMS eingesetzt. Das eine, BCM1F, ist eine DESY-CERN-Koproduktion und das andere, PLT, Zusammenarbeit mehrerer amerikanischer und italienischer Universitäten und dem Karlsruher Institut für Technologie. Beide sind Teil des “BRIL”-Projektes bei CMS. BRIL steht für Beam Radiation Instrumentation and Luminosity. Die neuen Luminometer sind komplett unabhängig vom Rest des CMS Detektors.

Die neuen Detektorteile sind das Produkt einer internationalen Kollaboration. Foto: CERN

Das BCM1F Luminometer hat vor allem bei der Zeitauflösung die Nase vorn. Als Sensoren hat es Diamantkristalle verwendet, die extrem kurze elektrische Signale bei einem Teilchendurchgang liefern. Die in Zusammenarbeit vom der AGH-UST Universität in Krakau, dem CERN und DESY (Zeuthen) entwickelte anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) zur Signalverstärkung ist schon wenige Nanosekunden nach dem Durchgang eines Teilchens wieder einsatzbereit, so dass Teilchen mit geringen Zeitabstand gezählt werden können. Anhand der Durchgangszeit können die Physiker erkennen, ob das Teilchen aus dem Strahlhintergrund oder aus einer Kollision stammt.

Die beiden Teile des Luminometers sitzen 1,80 Meter vom Kollisionspunkt entfernt um das Strahlrohr herum hinter dem CMS-Pixeldetektor und bestehen jeweils aus zwei Halbringen mit einem Außendurchmesser von 10 Zentimetern. Auf jedem Ring sitzen 12 Diamantsensoren, die aus einem 5x5 mm2 grossem Diamantkristall bestehen. Sie haben den großen Vorteil, dass sie strahlenhart sind – im Teilchenhagel der LHC-Kollisionen ist das ein wichtiger Aspekt. „Solche spezialisierten Mini-Detektoren sind kleine Kunstwerke – große Detektoren kann jeder bauen“, scherzt DESYaner Wolfgang Lohmann, der das BCM1F Luminometer mit entwickelt hat.

Integriert in jeden Halbring sind zwei weitere Sensoren, die vom KIT Karlsruhe betrieben werden und bei extrem hohem Strahlhintergrund ein Sinal zum Abschalten des Strahls senden.

Das Projekt ist eigentlich ein Import aus Forschungsarbeiten für zukünftige ILC-Detektoren, wo Lohmann für die Entwicklung des sogenannten Vorwärts-Kalorimeters zuständig ist, das ebenfalls strahlenharte Sensoren und schnelle Reaktionszeiten für präzise Luminositätsmessungen braucht. Während einer Testperiode für das ILC-Vorwärtskalorimeter am CERN kam er mit Experten für Strahlhalo-Monitore ins Gespräch, und so ergab sich mit der Zeit die Idee, die Technologie im CMS-Detektor in die Tat umzusetzen.

Das BCM1F – Diamanten und Schnelligkeit zeichnen es aus. Foto: Wolfgang Lohmann, DESY

Das Pixel-Teleskop PLT misst ebenfalls die Kollisionsrate der Teilchen, und kann dabei durch drei hintereinandergeschaltete Silizium Pixel-Sensoren Teilchenspuren rekonstruieren und so Teilchen, die vom Wechselwirkungspunkt stammen, vom Strahlhintergrund unterscheiden. Die beiden Apparate sind unabhängig voneinander, so dass beim Ausfall eines Detektors der andere weiter Daten liefert. Sie nutzen unterschiedliche Technologien, was am Ende zu einer zuverlässigen und genaueren Messung der Luminosität führen soll.

In den vergangenen Strahlperioden hatte das CMS-Vorwärts Kalorimeter die Luminosität gemessen. Um die höhere Teilchenrate nach dem Upgrade von LHC zu verkraften, wurde hier die Ausleseelektronik komplett erneuert. Mit einer neuen Messmethode wird auch das Vorwärts Kalorimeter eine weitere Messung der Luminosität liefern, so dass durch vergleichende Analysen der systematische Fehler weiter verringert werden kann.

Bis zum Beginn der neuen Strahlperiode des LHC ist die BRIL-Kollaboration damit beschäftigt, ihre neuen Detektoren in Betrieb zu nehmen, denn sie müssen laufen, bevor Protonen im LHC kreisen.