Der NA48-Detektor

Überblick


NA48 ist ein typisches Fixed-Target-Experiment, das sich mit Strahlführung und Zerfallsregion über eine Länge von über 200 m erstreckt. Der eigentliche Detektor schließt sich an die etwa 100 m lange, evakuierte Zerfallsregion an und hat eine Länge von gut 30 m. Die Herzstücke des Detektors sind das Magnetspektrometer zur Messung geladener Teilchen und das Flüssig-Krypton-Kalorimeter für Nachweis und Messung neutraler Zerfallsprodukte.


Der Detektor


Das Magnetspektrometer besteht aus insgesamt vier Spurkammerstationen, die in einen Heliumtank eingebettet sind. Jeweils zwei Stationen stehen vor und hinter einem Dipolmagneten. Aus der Ablenkung der Spur im Magnetfeld wird der Impuls der Teilchen bestimmt. Jede Spurkammerstation besteht aus vier doppellagigen Driftkammern, die um jewils 45 Grad zueinander gedreht sind, um Ambiguitäten in der Spurrekonstruktion zu vermeiden.



Das elektromagnetische Kalorimeter zum Nachweis neutraler Teilchen und zur Identifizierung von Elektronen und Positronen ist ein homogenes Flüssig-Krypton-Kalorimeter (LKr). Es ist durch longitudinal verlaufende Elektrodenstreifen in mehr als 13000 2x2 cm2 große Zellen unterteilt. Seine Funktionsweise ähnelt der einer Driftkammer: Die geladenen Teilchen des elektromagnetischen Schauers ionisieren das Krypton und die Ionisationsprodukte werden auf den Elektroden gesammelt. Die gesammelte Ladung ist ein Maß für die totale Energie des Schauers in der jeweiligen Zelle. Die Energieauflösung des Kalorimeters beträgt 3.2%/sqrt(E) (Energie E in GeV), hinzu kommt durch die feine Segmentierung eine hervoragende Ortsauflösung.


An das Flüssig-Krypton-Kalorimeter schließt sich das hadronische Kalorimeter an. Es dient der Energiemessung der Hadronen, die nicht ihre volle Energie im elektromagnetischen Kalorimeter deponiert haben. Seine Energieauflösung ist wesentlich schlechter als die des LKr-Kalorimeters, es wird daher im Wesentlichen nur im Trigger verwendet. Hinter dem Hadronkalorimeter, abgetrennt durch mehrere Eisenblöcke, befinden sich insgesamt drei Lagen von Szintillatorzählern zum Nachweis von Myonen.

Außerdem befindet sich in am Ende der Strahlröhre der sogenannte Beam Counter, ein einfacher Zähler aus Szintillatorstreifen zur Messung der instantanen Strahlintenstität. Für die Zeitmessung gibt es zwei Hodoskope, eines für geladene Teilchen kurz vor dem LKr-Kalorimeter und eines für neutrale Teilchen, das in das LKr-Kalorimeter integriert ist. Beide Hodoskope bestehen aus mit Photomultipliern ausgelesenen Szintillatoren und erreichen eine Zeitauflösung von 300-400 ps. Weitere Szintillatoren sind um Zerfallsregion und Heliumtank in Ringen angeordnet um Teilchen nachzuweisen, die sonst den Detektor unerkannt verlassen würden.

In der ersten Phase des Experiments zur ε'-Messung wurde außerdem ein Detektor zur Markierung der auf das KS-Target treffenden Protonen eingesetzt (Tagging-Detektor). Durch die Zuordnung der Protondurchgangszeit zur im Detektor gemessenen Zerfallszeit konnten auf diese Weise KS- von KL-Mesonzerfällen im Detektor unterschieden werden. Der Tagging-Detektor bestand aus mehreren sehr dünnen Szintillatorstreifen, die leiterartig im Protonstrahl angeordnet waren. Seine Ineffizienz in der Erkennung der durchgehenden Protonen betrug bei einer Rate von bis zu 35 MHz lediglich wenige 10-4.


Trigger und Datenerfassung


Die Datenerfassung des Experiments läuft über ein dreistufiges Triggersystem. Die erste Stufe ist vollständig in Hardware realisiert und verarbeitet schnelle Informationen aus den Kalorimetern, Driftkammern und den Szintillatorzählern.

Die zweite Triggerstufe ist teilweise in Software implementiert. Für Zerfälle in geladene Teilchen werden auf einer speziellen Farm bereits die Spurimpulse und die invariante Masse berechnet. Für neutrale Zerfälle werden die Momente der Energieverteilung im Kalorimeter berechnet. Aufgrund dieser Informationen werden Ereignisse entweder akzeptiert oder verworfen. Die Rate der akzeptierten Ereignisse beträgt bis zu 10 kHz. Für diese Ereignisse werden die einzelnen Detektorinformationen auf einer speziellen Online-PC-Farm gesammelt und zu Gesamtereignissen zusammengesetzt. Schließlich werden die Daten an das CERN-Rechenzentrum geschickt.

Die dritte Stufe ist ein reiner Softwaretrigger, der auf einer großen PC-Farm im CERN-Rechenzentrum läuft. Er verwendet sämtliche Informationen, um daraus vollständig die Ereignisse zu rekonstruieren, zu kategorisieren und in einem handlichen Format wegzuschreiben. Obwohl er ursprünglich auch zur Datenreduktion entwickelt wurde, wurde er dafür bis auf wenige Runperioden nicht eingesetzt.





Mainzer Beteiligung


Die Mainzer Arbeitsgruppe war für den Aufbau und Betrieb der folgenden Detektorkomponenten verantwortlich:

  • Hadronkalorimeter und Beam Counter.
  • Tagging-Detektor.
  • Online-PC-Farm für das Eventbuilding.
  • Dritte Triggerstufe (Level 3).