Zukünftige Beschleuniger

Obwohl der LHC und seine Experimente den Betrieb gerade erst aufgenommen haben, gehen die Entwicklungen für zukünftige Beschleuniger und Detektoren weiter. Geplant ist der Bau eines Linearbeschleunigers für Elektronen und Positronen, um die in den nächsten Jahren am LHC gewonnenen Erkenntnisse mit höchster Präzision zu vermessen sowie weitere, bisher unbekannte Phänomene zu entdecken.

Ein Konzept besteht mit ILC (International Linear Collider), einem 31 km langen, klassischen Beschleuniger für Schwerpunktenergien von 500 bis 1000 GeV. Mit CLIC (Compact Linear Colider) wird am CERN ein weiteres, technisch neuartiges und aufwändiges Konzept für Schwerpunktenergien von 3 TeV verfolgt.

Hadronisches Kalorimeter für CALICE

Die angestrebte hohe Präzision schlägt sich auch in den Anforderungen an das Design der Detektoren nieder. So wird im Rahmen der CALICE-Kollaboration (Calorimeter for a Linear Collider Experiment) ein hadronisches Kalorimeter mit außergewöhnlich hoher Orts- und Energieauflösung entwickelt. Erreicht wird dies durch Lagen bestehend aus Szintillatoren von nur 30×30×3mm³ Größe, die mit Absorberplatten aus Edelstahl oder Wolfram eine klassische Sandwich-Struktur bilden.

Siliziumphotomultiplier

Die geringe Größe der Szintillatoren erfordert auch die Verwendung sehr kleiner Lichtsensoren, deren Empfindlichkeit den Nachweis weniger Photonen ermöglicht. Eine Neuentwicklung auf diesem Gebiet sind SiPMs (Siliziumphotomultiplier) auf Halbleiterbasis, die eine Anordnungen von einigen 100 bis 1000 Avalanche-Photodioden auf einer Fläche von etwa 1mm² enthalten. Trifft ein Photon auf eine solche Diode, gibt sie eine bestimmte, feste Ladungsmenge ab. Durch die Parallelschaltung aller Dioden ergibt sich ein Gesamtsignal als Maß für die eingestrahlte Lichtmenge.

Gegenüber herkömmlichen Photomultipliern weisen sich SiPMs neben ihrer geringen Größe durch eine geringere Betriebsspannung, einen geringeren Verkabelungsaufwand, eine weitgehende Immunität gegenüber Magnetfeldern sowie geringere Anschaffungskosten aus. Nachteilig sind eine hohe Temperatur- und Spannungsempfindlichkeit, große Exemplarstreuungen sowie mögliche Alterungseffekte. Dies wirkt sich in erster Linie auf die abgegebene Ladungsmenge pro Diode aus.

Kalibrationssystem der Uni Wuppertal

Zur Kompensation der Nachteile von SiPMs ist eine Kalibration notwendig, die auch im späteren Detektor regelmäßig durchgeführt werden wird. Dazu wird die Diskretisierung der Gesamtladungsmenge ausgenutzt, die bei geringen Lichtintensitäten auftritt und das Signal pro Diode direkt sichtbar macht.

An der Universit??t Wuppertal wird ein LED-System entwickelt, welches die für die Kalibration erforderlichen, extrem kurzen und schwachen Lichtpulse erzeugt. Das System muss platzsparend und kostengünstig sein, da es im zukünftigen Detektor an jedem einzelnen der 8 Mio. Szintillatoren angebracht sein wird.

Die maximale Signalhöhe eines SiPMs hängt nicht nur von der Anzahl der Avalanche-Dioden ab, sondern auch in erheblichem Maße von der optischen Ankoppelung des Szintillators an den SiPM. Zur Untersuchung solcher Sättigungseffekte soll das LED-System ebenfalls in der Lage sein, sehr starke Lichtpulse zu erzeugen.

Des Weiteren wurde an der Universität Wuppertal ein Positionierungssystem aufgebaut, mit welchem verschiedene ortsabhängige Messungen an einem Prototyp aus mehreren Szintillatoren durchgeführt werden können.