Präzisionsmessungen an Myondriftkammern für den CMS-Detektor und die Bedeutung des Myonsystems für die Higgs-Suche am LHC

Hermann, Sven; Böhm, Albrecht

doi:839

Präzisionsmessungen an Myondriftkammern für den CMS-Detektor und die Bedeutung des Myonsystems für die Higgs-Suche am LHC

Hermann, Sven (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sven Hermann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangVI, 179 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Böhm, Albrecht (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-03-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8392
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62003/files/Hermann_Sven.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CMS-Detektor (Genormte SW) ; Myon (Genormte SW) ; Driftkammer (Genormte SW) ; LHC (Genormte SW) ; Higgs-Teilchen (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Myonen (frei) ; CMS (frei) ; Myonkammern (frei) ; LHC Higgs (frei) ; Suche (frei) ; Detektor (frei) ; CERN (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Vorbereitungen des Experimentes CMS (Compact Muon Solenoid) des am CERN in Genf geplanten LHC (Large Hadron Collider). Der Aufbau des Myonsystems, insbesondere der Driftkammern des Zentralbereichs, die unter Aachener Beteiligung entstehen, wird erklärt. Im ersten Teil der Arbeit werden die Ergebnisse einer Monte-Carlo-Studie für einen bei der Suche nach dem Higgs-Boson bei CMS interessanten Zerfallskanal vorgestellt, bei dem dieses Teilchen am Ende der Zerfallskette in vier Myonen zerfällt. Der zweite Teil beschreibt die laufende Produktion der Driftkammern und Ergebnisse der Tests, die zur Qualitätssicherung entwickelt und durchgeführt wurden. Der LHC wird zunächst Protonen auf eine Schwerpunktsenergie von 14 TeV beschleunigen, wobei eine Luminosität von L = 1034cm-2s-1 angestrebt wird, die es ermöglicht, auch so seltene Prozesse wie die Produktion des vorhergesagten, aber noch nicht nachgewiesenen Higgs-Bosons in ausreichender Anzahl zu erzeugen. Die bei der Proton-Proton-Kollision am LHC vor allem aus Gluon-Fusion entstehenden Higgs-Bosonen bewegen sich bevorzugt in die Vorwärtsrichtung des Detektors, da sich das Schwerpunktsystem der Gluonen in diese Richtung bewegt. Anhand einer vollständigen, auf Monte-Carlo-Berechnungen basierenden Detektorsimulation für den Kanal H ! ZZ ! 4µ werden die Konsequenzen für die Myonen des Endzustands untersucht. Eine detaillierte Bestimmung der winkelabhängigen Effizienzen beim Nachweis der Myonen zeigt, dass die Myondetektoren in den Endkappen und die des Zentraldetektors gleichermaßen von großer Bedeutung sind. Einerseits bewegt sich bei 95% aller Ereignisse mindestens eins der vier Myonen in den Zentralbereich des Detektors, andererseits weisen 84% aller Ereignisse mindestens ein Myon im Bereich der Endkappen auf (Bei einer Gleichverteilung der Myonen über den gesamten Winkelbereich würde man bei 99% der Ereignisse mindestens ein Myon im Zentralbereich und bei 81% mindestens ein Myon in den Endkappen erwarten.). Außerdem wird die erreichbare Auflösung bei der Bestimmung der Higgs-Masse diskutiert. Zum Nachweis der Myonen im Zentralbereich werden Driftkammern eingesetzt. In Zusammenarbeit mit drei weiteren Instituten werden insgesamt 250 Driftkammern gebaut, wovon 70 in Aachen entstehen und getestet werden. Jede Kammer ist etwa 2,5 m breit, bis zu 4 m lang und 0,3 m hoch und besteht aus 12 Lagen, die wiederum aus einzelnen Driftzellen aufgebaut sind. Ein durchquerendes Myon erzeugt im Gasvolumen einer Driftzelle durch Ionisation Elektron-Ion-Paare, wobei die Elektronen durch Hochspannung beschleunigt zum Anodendraht in der Mitte der Zelle driften. Aufgrund der etwa konstant gehaltenen Driftgeschwindigkeit ist es möglich, aus der Messung der Driftzeit und der Kenntnis der Drahtposition eine genaue Rekonstruktion der Myonspur zu erzielen. Im fünften Kapitel wird der vollständige Prozess der Produktion der Myondriftkammern beschrieben, wobei ein Schwerpunkt auf der in Aachen entwickelten und im Rahmen dieser Arbeit modifizierten Krimpmaschine (engl. to crimp – klemmen) liegt. Um die Myonen sicher und mit ausreichender Genauigkeit detektieren und vermessen zu können, ist als zentraler Detektorparameter bei der Messung von Myonspuren eine zu erreichende Ortsauflösung von 100 µm pro Driftkammer notwendig. Daraus ergibt sich bei vorgegebener Anzahl von Messpunkten eines Spursegments für die einzelne Driftzelle eine Ortsauflösung von 250 µm, was eine große Herausforderung für die Produktion der Driftkammern darstellt. Alle Einzelkomponenten einer Driftzelle müssen mit Genauigkeiten von wenigen hundertstel Millimetern positioniert und verarbeiten werden. Um diese Genauigkeit zu überprüfen, werden Präzisionsmessungen an den insgesamt 42000 in Aachen zu produzierenden Driftzellen durchgeführt. Für die Ortsauflösung einer Driftzelle ist der in der Mitte der Zelle befindliche Anodendraht die entscheidende Komponente. Seine genaue räumliche Lage in jeder einzelnen Zelle legt den Grundstein für die spätere Genauigkeit bei der Vermessung von Myonspuren. Indem die Anodendrähte mit nahezu maximaler Kraft von 3 N am Rande des elastischen Bereichs bei vorgegebener Länge vorgespannt werden, und die mechanische Drahtspannung nach dem Einbau in die Driftzellen überprüft wird, garantiert man einen minimalen Durchhang. In Zusammenarbeit mit der Universität Purdue ist ein neuartiges Drahtspannungsmessgerät bis zur Serienreife entwickelt worden, dessen Besonderheit eine berührungslose und gleichzeitige Messung von bis zu 64 Drähten in einem etwa fünfminütigen Messschritt darstellt. Messungen und Weiterentwicklungen zur Funktionstüchtigkeit und Messgenauigkeit (0,6%) des Drahtspannungsmessgerätes wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführt. Heute wird das Gerät täglich bei allen an der Myonkammerproduktion beteiligten Instituten mit Erfolg zur Qualitätssicherung eingesetzt. Alle bisher in Aachen produzierten Myonkammern erfüllen die geforderte Genauigkeit der mechanischen Drahtspannung von ±10%. Die räumliche Lage des Anodendrahtes in der Driftzelle ist primär durch die Position der Drahtenden gegeben. Zur Bestimmung dieser Position mit wenigen hundertstel Millimetern Genauigkeit wurde in Aachen ein eigenes Messsystem entwickelt, das auf computergestützter, optischer Vermessung beruht. Die Weiterentwicklung dieses Systems zu einem funktionierenden Instrument der Positionsbestimmung im CMS-Bezugssystem war Teil dieser Arbeit. Dank einer umfassenden Kalibration des Messsystems gelang es für beide Achsen des Systems eine ausreichende Messgenauigkeit von etwa 50 µm zu erreichen. Dies genügt, um die angestrebte Positionsgenauigkeit von ±100 µm der Drähte sicher zu überprüfen. Es wurde im Rahmen der Messgenauigkeit keine nennenswerte Abweichung von der geforderten Genauigkeit der Drahtpositionen festgestellt. Die erreichte Messgenauigkeit bei den täglichen Draht- positionsmessungen trug dazu bei, Produktionsfehler festzustellen und konsequent zu beheben, wodurch der gesamte mechanische Positionierungsund Klebeprozess deutlich verbessert werden konnte. Mit Hilfe aller Beteiligten gelang es, die geforderte Produktionsgeschwindigkeit von zwei Myonkammern pro Monat zu erreichen. Bis Ende 2003 wurden mit 36 Kammern bereits mehr als die Hälfte aller Myonkammern vollständig gebaut und getestet. Damit kann sowohl der technische als auch der zeitliche Plan eingehalten werden. Aufgrund des erreichten, eindrucksvollen Fortschritts verspricht das CMS-Projekt ein erfolgreiches Experiment zu werden.

This thesis deals with preparations for the experiment CMS (Compact Muon Solenoid) of the LHC (Large Hadron Collider) planned at CERN in Geneva (Switzerland). The construction of the muon system, especially of the drift chambers in the barrel detector constructed with participation of the Aachen group, is explained. In the first part of the thesis the results from a Monte-Carlo-study for a decay channel interesting for the search for the Higgs boson at CMS is presented. In this channel the Higgs finally decays into four muons. The second part describes the running production of the drift chambers as well as results of tests developed and implemented for purposes of quality control. The LHC will accelerate protons to a center of mass energy of 14 TeV, aspiring to a luminosity of L = 10^34 cm^-2s^-1, allowing for the production of a sufficient number of such processes as rare as the production of Higgs bosons, which were predicted, but not yet proven. The Higgs bosons, created mainly by gluon gluon fusion in proton proton collisions at the LHC, favor moving into the forward direction of the detector, because the center of mass system of the gluons moves into this direction. By means of a fully simulated detector study based on Monte-Carlo calculations of the channel H -> ZZ -> 4µ the consequences for the final state muons are analyzed. Furthermore, a more detailed analysis of the angular dependent efficiencies of detecting the muons shows that both parts of the muon system, forward and barrel detectors, are of equally great importance. On the one hand, at least one of the four muons moves into the barrel region of the detector for 95% of the events. On the other hand 84% of the events show at least one muon in the endcaps (In case, the muons are equally distributed over the entire angular range one would expect 99% of the events with at least one muon in the barrel detector and 81% with at least one muon in the end caps.). Furthermore, the mass resolution within reach for the Higgs is discussed. Drift chambers are used to detect muons in the barrel region. In collaboration with three other institutes 250 drift chambers are constructed, where 70 of them are made and tested in Aachen. Each drift chamber is 2,5 m wide, up to 4 m long and 0,3 m high and consists of 12 layers being composed of single drift cells. A crossing muon creates electron-ion-pairs by ionization in the gas volume of a drift cell. Consequently, the electrons accelerated by high voltage drift towards the anode wire at the center of the cell. Due to an approximately constant drift velocity, it is possible to achieve a precise reconstruction of the muon track from the measurement of the drift time and the knowledge of the wire position. The complete process of producing the muon drift chambers is described in the fifth chapter, whereby a focal point lies on the crimping machine developed in Aachen and modified during this study. In order to detect the muons with certainty and sufficient accuracy, a necessary central detector parameter is the spatial resolution to be reached in the measurement of muon tracks. A spatial resolution of 100 µm of the muon drift chambers constitutes an adequate value. Consequently, with a preset number of measuring points on a track segment a spatial resolution of 250 µm arises for the single drift cell, thereby constituting a great challenge for the drift tube production. All single components of a drift cell have to be positioned and constructed with an accuracy of a few hundredth millimeters. The precision of the 70 drift chambers being produced in Aachen is to be guaranteed by inspection with comprehensive measurements. For the spatial resolution of a drift cell, the anode wire situated in the middle of the cell is the decisive component. Its exact spatial position in each single cell constitutes the foundation for ensuing accuracy in the measurement of muon tracks. By applying a tension of 3 N to the anode wires of a given length with almost maximal force at the edge of the elastic range, and by measuring the wire tension after the installation into the drift cells, it is possible to ensure a minimal sag of the wire. A new type of wire tension meter has been developed to the state of serial production in cooperation with the University of Purdue, whose special characteristic is a contact-less and simultaneous measurement of up to 64 wires in a process of about five minutes duration. Measurements and further developments concerning the functional ability and accuracy (0,6%) of the wire tension meter have been carried out within the scope of this thesis. Today, the device is used daily for purposes of quality control at all institutes involved in the drift chamber production with success. Every drift chamber produced in Aachen so far conforms to the demands for accuracy of the mechanical wire tension of ± 10%. The position of the anode wire in the drift cell is primarily defined through the position of the wire ends. In order to determine the latter with an accuracy of a few hundredth of a millimeter, a special measuring system based upon computer-aided, optical measurements has been developed in Aachen. The further development of this system into a functioning instrument for the position measurement in the CMS reference system is part of this thesis. Thanks to a comprehensive calibration process for the entire system it was possible to reach a sufficient accuracy of about 50 µm for both axes of the system. This is sufficient to control the desired position accuracy of the wires of ±100 µm. Within the measuring accuracy no deviation with respect to precise wire positions worth mentioning was found. Production mistakes could be found and consistently removed by means of the reached measuring accuracy in the daily wire position measurements thereby significantly improving the total mechanical positioning and gluing procedure. Thanks to the engagement of all persons concerned, the desired production speed of two muon chambers per month could be reached. Till the end of last year 36 chambers have really been glued, so today more than half of all muon chambers were already constructed and tested. Consequently, they are being constructed according to schedule. Due to the impressive achieved progress, the CMS-project is expected to become a successful experiment.

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