Data acquisitie en 2e niveau triggersysteem

Leerstoel voorlichting 1998/1999
Bijzondere Leerstoel Hoge Energie Fysica
Prof. Dr. Ing. B. van Eijk
Vakcode: 141125
Trimester: 2/3
Vaknaam: Onderwerpen uit de Hoge Energie Fysica
SP: 3
Algemeen
Vestigingsplek vakgroep
Dit vak wordt aangeboden door de vakgroep: ‘Toegepast Onderzoek der Materie' bij de leerstoel:
‘Lage Temperaturen’ (LT) (secretariaat LT, kamer 4218, tel.3841). Het college wordt gegeven aan de
Faculteit Technische Natuurkunde in het 2e en 3e trimester gedurende zes opeenvolgende weken
(m.u.v. weken 52 en 53): twee uren (7e en 8e uur) op donderdag (EL/TN B1228) en aansluitend twee
uren (3e en 4e uur) op vrijdag (EL/TN1224). In totaal omvat dit 24 collegeuren (aanvang 3 december,
week 49). Tijdens het college worden vraagstukken uitgedeeld welke direct betrekking hebben op
zowel de gepresenteerde onderwerpen als de aanvullende stof behandeld in het boek van David
Griffiths: ‘Introduction to elementary particles’ (John Wiley & Sons, ISBN 0-471-60386-4). De
vraagstukken leiden samen met een mondeling tentamen tot een uiteindelijke beoordeling. De docent is
wetenschappelijk medewerker aan het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica
(NIKHEF) in Amsterdam. Stages bij dit instituut en afstudeerwerk vinden over het algemeen plaats in
het kader van het ATLAS project, waarvan de docent een van de NIKHEF-projectleiders is.
Activiteiten binnen het kader van het ATLAS project vormen de voorbereiding voor de realisatie van
een deeltjes detector bij het Europese laboratorium voor elementaire deeltjes fysica, CERN, in Genève,
Zwitserland.
Omschrijving leerstoel
De NIKHEF-ATLAS groep neemt deel aan de ATLAS collaboratie ter voorbereiding van een detector
voor proton-proton botsingen aan de nieuwe Large Hadron Collider (LHC) van CERN, welke naar
verwachting in 2005 in bedrijf komt. De LHC is een ringvormige proton-protonbotser, welke twee
protonbundels tot 7 Tera electron Volt (TeV) in tegenovergestelde richting versnelt, vervolgens opslaat
en de protonen tot botsing brengt bij een zwaartepuntsenergie van 14 TeV. De botser wordt opgesteld
in de 27 km lange ringvormige LEP tunnel op een gemiddelde diepte van 100 m onder de grond. De
ATLAS detector is geprojecteerd in een hal rondom de bundelas op deze diepte. Een van de
belangrijkste doelstellingen van het experimentele programma is het zoeken in de proton-proton
botsingen naar de productie van het Higgs boson dat voorspeld wordt in het zgn. Standaard Model ter
verklaring van de massa's van de ijkbosonen in de electrozwakke interactie. Verder kan voor het eerst
een nieuw energiegebied geëxploreerd worden, waarin aanwijzingen gevonden kunnen worden voor
nieuwe verschijnselen, die samenhangen met unificatie van alle elementaire wisselwerkingen
(elektromagnetisme, zwakke interactie (radioactief verval), kernkrachten en gravitatie). De NIKHEFATLAS groep bestaat uit wetenschappelijke medewerkers van het instituut in Amsterdam, de NIKHEF
groep aan de Universiteit van Nijmegen (KUN), stafleden van de Universiteit van Amsterdam (UvA)
en KUN, AIO's, OIO's en studenten van de deelnemende instituten.
Beschrijving van het vakgebied/onderzoek
Het onderzoeksgebied wordt bepaald door het ontwerp van de ATLAS detector. Deze kan beschreven
worden als een opeenvolging van concentrische schillen van subdetectoren rondom het interactiegebied
van de twee protonbundels. De binnenste schil bevat de ‘binnenste detector’, welke bestaat uit diverse
types spoordetectoren, geplaatst in het solenoidale veld van een supergeleidende magneet met as langs
de bundelrichting ter meting van de impuls (energie) van geladen deeltjes afkomstig van bijv. verval
van een Higgs boson. De volgende schil bestaat uit ‘calorimeters’, welke de totale energie van geladen
en ongeladen vervals- en reactieproducten meten. De laatste schil bestaat uit ‘muonkamers’, welke
geplaatst zijn in een toroidaal magneetveld opgewekt door een stelsel van acht supergeleidende spoelen
ter meting van de impuls van muonen, welke slechts gering energieverlies in het dichte materiaal van
de calorimeters ondergaan en als zodanig geidentificeerd kunnen worden door de grote penetratie door
materie. De ATLAS detector heeft een doorsnede van 22 m en een lengte van 46 m. De activiteiten van
de NIKHEF-ATLAS groep omvatten de volgende vieronderdelen:
Spoordetectoren
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van specifieke types spoordetectoren voor de
‘binnenste detector’. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen sensoren welke zeer dicht rondom
het interactie gebied van de protonbundels geplaatst worden en de detectoren op grotere afstand van
de bundels. Dichtbij het interactiegebied, is de dichtheid van (geladen) deeltjes bijzonder hoog
zodat hier hogere eisen aan oplossend vermogen en stralingstolerantie gesteld dienen te worden. De
groep houdt zich actief bezig met de ontwikkeling van silicon pixeldetectoren waarbij (v.g.l. Charge
Coupled Device -CCD- sensoren) de uitleessnelheid, het positie-oplossend vermogen (~15
micrometer) en stralingsbestendigheid bijzonder hoog dienen te zijn. Verder van de bundelas
worden silicon stripdetectoren toegepast, zodat m.b.v. een vergelijkbare halfgeleider technologie als
voor de pixels, nu echter per vlak slechts een ruimtelijke coördinaat bepaald kan worden. Door
meerdere vlakken achter elkaar te plaatsen (onder verschillende hoeken) wordt een tweedimensionele positiebepaling gerealiseerd. Onder de extreme stralingsomstandigheden dicht bij het
interactiegebied neemt de verwachte levensduur van silicon detectoren drastisch af. Onderzoek naar
alternatieve sensormaterialen heeft geleid to prototype ontwikkelingen, waarbij silicium vervangen
is door kunstmatig gegroeid diamant.
Een tweede zeer belangrijk aspect is het ontwerpen van zeer lichte draagstructuren met zeer hoge
mechanische stabiliteit gebaseerd op koolstofvezel materialen. Teveel materiaal geeft aanleiding tot
onacceptabel veel Bremsstrahlungverliezen voor hoogenergetische electronen, welke een
onnauwkeurige positie- en energiebepaling tot gevolg heeft. Tevens neemt de kans op conversie
van fotonen in electron-positronparen toe, welke de meting van de energie van de fotonen in de
calorimeter verslechtert.
Tenslotte worden diverse aspecten van de electronica ontwikkeld, zoals geintegreerde analoge- en
digitale front-ends voor de controle van de detector en dataverwerking, in de vorm van ‘Application
Specific Integrated Circuits’ (ASIC). Deze chips worden direct op de detector gemonteerd en
dienen derhalve in een stralingsharde versie uitgevoerd te worden.
Muonkamers
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van grote aantallen ‘muonkamers’ van zeer grote
afmetingen. De muonkamers bestaan uit 30 mm diameter dunwandige aluminiumbuizen met een
centrale anodedraad, welke met een te selecteren gasvulling op overdruk als zogenaamde drift
buizen bedreven worden. Een muon (‘zwaar electron’), dat de driftbuis passeert, veroorzaakt een
primaire ionisatie. De tijdsduur van de drift van de primaire electronen naar de anode is een maat
voor de positie, waarop het muon de buis gepasseerd is.
Het onderzoek richt zich vooral op een nauwkeurige en lichte constructie van grote kamers van
ongeveer 3 x 6 meter. De nauwkeurigheid dient groot te zijn om de systematische fout op de
plaatsbepaling (< 20 micrometer) en dus van de impulsmeting te minimaliseren. De constructie
moet licht zijn om de Coulombverstrooiing van de muonen te beperken, welke anders de
nauwkeurigheid van de impulsmeting vermindert. Het NIKHEF heeft een sterke traditie op het
gebied van de bouw van grote muondetectoren. Onderzoek wordt gedaan aan de keuze van het
gasmengsel in de buizen en aan het operatiepunt voor het driftproces voor de gegeven buisdiameter.
Een belangrijk punt is de controle van de alineëring van de gehele muonspectrometer. Dit is een
specialisme van het NIKHEF, waar het RASNIK alineëringssysteem ontwikkeld is. Dit systeem
bestaat uit een masker met een gecodeerd patroon, dat met infrarood licht belicht wordt, zodat via
een lens het patroon afgebeeld wordt op een CCD-camera. De transversale verplaatsing van de lens
t.o.v. masker en CCD kunnen met een nauwkeurigheid van 0.5 micron bepaald worden en de
longitudinale positie van de lens tussen masker en CCD wordt met een precisie van 50 micron
gemeten.
Data acquisitie en 2e niveau triggersysteem
Onderzoek, ontwikkeling en uiteindelijk productie van een 2e niveau triggersysteem ter selectie van
specifieke gebeurtenissen, welke bijv. een Higgs boson bevatten, op basis van de voorspelde
eigenschappen van diverse vervalskanalen van het Higgs deeltje. De trigger is een cruciaal
onderdeel van elke deeltjes-detector. De analoge en digitale electronische informatie van de
subdetectoren wordt op diverse tijdniveaus gebruikt voor de selectie van interessante
gebeurtenissen. Hiertoe wordt gebruikgemaakt van de krachtigste processoren, die op de markt
verkrijgbaar zijn. De studie van de eigenschappen van zulke processoren en de toepassing daarvan
voor het ontwerp en de constructie van een triggersysteem is een geavanceerd specialisme op het
NIKHEF.
Fysica simulaties en data reconstructie
Onderzoek en ontwikkeling van nieuwe programmeersystemen voor de simulatie en analyse van
specifieke gebeurtenissen in proton-proton botsingen. Voor het ontwerp van de ATLAS detector
worden uitgebreide simulaties gemaakt van vele processen, waarin nieuwe deeltjes geproduceerd
worden. Deze simulaties spelen ook een belangrijke rol in de beschrijving van de uiteindelijke
detector ter bepaling van de acceptantie voor een gemeten proces. De reconstructie van de gemeten
gebeurtenissen en de fysica analyse vereisen omvangrijke rekenprogramma's. Hiermee is veel
rekentijd gemoeid. Het ontwerp van de software en de keuze van de hardware is dus een belangrijke
factor in het opzetten van een efficiënt en economisch systeem. Het NIKHEF speelt een
vooraanstaande rol bij dit onderzoek.
Omschrijving onderwijs
Afstudeerprojecten
Binnen het kader van boven beschreven onderzoeksprogramma heeft de student de keuze een project te
kiezen voor een afstudeeropdracht. Gedurende de afstudeerperiode is een bezoek aan het CERN niet
uitgesloten. Tevens bestaat de mogelijkheid om mee te werken aan een aantal nieuwe R&D projecten.
Een voor beeld is het 'VERTEX'-project, speciaal gericht op technlogische innovaties m.b.t. detectoren
dicht bij het botsingspunt van de bundels. Ter ondersteuning van dit project is diverse, specialistische
meetapparatuur beschikbaar. De studie kan voortgezet worden met een promotieonderzoek gedurende
vier jaren. De student/promovenda/us doet ervaring op in een breed spectrum van activiteiten, in een
internationale omgeving, welke haar/hem een goede uitgangspositie op de arbeidsmarkt verschaft
Keuzepakket
Het wordt aanbevolen minstens een selectie uit de volgende vakken in het keuzepakket (indien niet
reeds aanwezig in het afstudeerpakket) op te nemen:
-
klassieke mechanica
voortgezette quantummechanica I, II en III
electromagnetisme, velden en golven
relativiteitstheorie
hoge energie fysica
Verder dient tijdens het afstudeerverblijf een college veldentheorie gevolgd te worden aan de U.v.A.
Het volgen van een selectie uit de volgende wiskunde vakken strekt eveneens tot de aanbeveling:
-
functionaalanalyse I
complexe functietheorie
globale analyse grondslagen II
partiele differentiaalvergelijkingen
numerieke oplossingsmethoden
matrixtheorie
kansrekening voor EL
Stagemogelijkheden
Het wordt aanbevolen voor een lange stage deel te nemen aan een van de bovenbeschreven activiteiten
bij het NIKHEF in Amsterdam. Het onderzoek omvat tevens het testen van apparatuur in
deeltjesbundels op het CERN in Genève. Gedurende de zomermaanden worden speciale cursussen
georganiseerd bij het CERN ('Summer student program'). Aanmelding (via de docent) dient
vroegtijdig te geschieden (vóór eind januari van datzelfde jaar) !
Aanmelding bij vakgroep
Degenen, die geinteresseerd zijn in het afstuderen in de Hoge Energie Fysica, kunnen contact opnemen
met de docent. Naast de jaarlijkse rondleiding bij het NIKHEF in het kader van de
leerstoelvoorlichting, is het aan te bevelen voorafgaand in overleg met de docent een bezoek aan het
NIKHEF te brengen. Meer informatie m.b.t. NIKHEF en CERN kan gevonden worden op WWW via
de NIKHEF-pagina onder ‘Research Activities’
Prof. Dr. Ing. Bob van Eijk
NIKHEF
email: [email protected]
Universiteit Twente
Technische Natuurkunde
P.O. Box 41882
Kruislaan 409
Tel.: +31 - (0)20 - 592 5091
FAX: +31 - (0)20 - 592 5155
NL - 1009 DB Amsterdam
NL - 1098 SJ Amsterdam
Kamer 10266 (EL/TN)
Tel.: +31 - (0)53 - 489 3153
Tel.: +31 - (0)53 - 489 3841 (secr.)
FAX: +31 - (0)53 - 489 1099
P.O. Box 217
NL - 7500 AE Enschede