Elmar Ritsch über Punch Through

2010-06-01 Patrick Jussel

Seit Oktober des letzten Jahres arbeite ich an meiner Diplomarbeit, welche sich mit der Simulation von sogenannten "Calorimeter-Punch-Through" Effekten im ATLAS-Detektor, beschaeftigt. Doch bevor ich näher auf die Details meiner Arbeit eingehe, möchte ich erst noch erzaehlen, wie es überhaupt dazu gekommen ist, dass ich bei einem derart grossen Experiment mitarbeiten kann.

Im Februar 2008, als ich gerade die ersten Semester meines Physikstudiums in Innsbruck hinter mich gebracht hatte, bot sich mir eine überaus seltene Gelegenheit, welche ich mir nicht entgehen lassen konnte: Eine Gruppe von ca. 40 angehenden Physikern unternahm eine Exkursion zum allseits bekannten Teilchenforschungszentrum CERN bei Genf. Die Dimensionen der dortigen Beschleuniger und Detektoren sowie auch der Menge an Leuten die gemeinsam an den diesen Projekten arbeiten, hinterließ wohl bei uns allen einen tiefen Eindruck. Ein Käsefondue-Abend ließ uns auch die damalige Kälte in Genf schnell vergessen und rundete sogleich gesamte das Erlebnis ab.

Angespornt durch diesen ersten Einblick, bot sich mir letzten Sommer eine weitere einmalige Gelegenheit: Herr Prof. Kuhn vom Institut für Astro- und Teilchenphysik ermöglichte es mir und zwei weiteren Studienkollegen, einen Großteil des Sommers 2009 als Praktikanten am CERN zu verbringen. Einer meiner Praktikumskollegen war Martin Vogel, welcher hier auf dieser Website bereits Kopf des Monats März war und uns in seinem Artikel etwas über die schnelle Detektor-Simulationssoftware FATRAS erzählt hat. im Wesentlichen beschäftige ich mich in meiner Diplomarbeit auch mit dieser Simulationssoftware und darf mich hier nun darauf verlassen, dass Sie, lieber Leser, sich Martins Artikel bereits zu Gemüte geführt haben, weshalb ich Ihnen die Grundzüge dieser Software nun nicht mehr erläutern muss. :)

Noch während des Praktikums am CERN bot mir mein dortiger Betreuer Andreas Salzburger eine Diplomarbeit im Rahmen der Software FATRAS an, welche ich ohne großes Zögern schließlich anging. Im Rahmen meiner Arbeit konnte ich bereits mehrmals das CERN aufsuchen, um dort bei diversen Workshops teilzunehmen oder in Software-Entwickler-Meetings mitzuwirken oder auch um mich mit Experten aus verschiedenen Fachgebieten zu unterhalten. Denn eines können Sie mir glauben: am CERN ist die Dichte an Experten weit über dem Durchschnitt.

Im Februar diese Jahres gelang es mir, meine Tätigkeit als Studentenvertreter mit meiner Arbeit am CERN zu kombinieren, idem ich eine Exkursion für Physik-StudentInnen zum CERN organisierte. Diese Exkursion war Sicherheit eines meiner schönsten Erlebnisse am CERN. Diana Habicher hat zu dieser Reise einen tollen Bericht in der News-Sektion veröffentlicht. Es ist recht interessant zu beobachten, dass mein erster Kontakt mit dem CERN durch genau so eine Exkursion vor einigen Jahren zustande kam und heute ich derjenige bin, der für seine Studienkollegen eine solche Reise zusammenstellt. Möglicherweise wird auch der ein- oder andere Mitreisende einen ähnlichen Weg einschlagen wie ich.

So, nach all dieser Einführung geht es nun ans Eingemachte: die Wissenschaft hinter all dem. Da Sie auf dieser Website surfen könnte es durchaus sein, dass Sie den grundsätzlichen Aufbau der Teilchen-Detektoren, wie sie in den meisten Hochenergie-Experimenten verwendet werden, bereits des öfteren gesehen haben oder sogar selber bereits wissen. Wenn dem so ist, ist das für das Folgende durchaus von Vorteil. Dennoch möchte ich kurz skizzieren, wie das Prinzip eines Detektors (in unserem Fall des ATLAS-Detektors) aussieht:


Der ATLAS-Detektor ist einer der vier großen Detektoren am LHC-Ring des CERNs. Seine Aufgabe ist es, die bei einer Kollision von zwei Protonen entstandenen Teilchen, aufzuzeichnen. Das obige Bild Stellt schematisch einen Teil des Querschnittes durch den ATLAS Detektor dar. Hier sehen wir verschiedene Teilchen-Typen die bei solchen Kollisionen entstehen können und dann vom Kollisionspunkt in alle Richtungen wegfliegen und sich ihren Weg durch den Detektor bahnen (im Bild befindet sich der Kollisionspunkt ganz unten im Zentrum des kleinen Kreises; im wirklichen Detektor ist dieser Punkt in der Mitte des Detektors). Wir sehen, dass der Detektor von innen nach außen in verschiedenen Schichten aufgebaut ist: die innerste Schicht wird im Englischen als Tracker bezeichnet und hat die Aufgabe die genauen Positionen der durchfliegenden Teilchen während ihres Durchfliegens aufzuzeichnen. Anschließend kommen zwei Schichten, welche Kalorimeter genannt werden und fast alle hineinfliegenden Teilchen-Typen stoppen um dabei deren Energie zu messen. Nur EIN messbarer Teilchentyp (nämlich die Myonen) kommt fast ungehindert durch das Kalorimeter hindurch und wird schließlich im Myon Spektrometer (MS) gemessen.

Daraus lernen wir, dass eigentlich nur Myonen im Myon Spektrometer ankommen sollten um dort ein Signal auszulösen. Dies hat den Vorteil, dass wir im Falle eines Signals im Myon Spektrometer sofort wissen, dass es sich hier um ein Myon gehandelt hat. In Wirklichkeit können aber Teilchen, die mit einer sehr hohen Energie in das Kalorimeter eintreten und eigentlich darin gestoppt werden sollten, auch so viele andere Teilchen aus dem Kalorimeter-Material "herausschlagen", dass einige davon schließlich in das Myon Spektrometer gelangen. Diese Teilchen verursachen ein Signal im MS, welches dann als das Signal eines Myon fehlinterpretiert werden könnte.

In meiner Diplomarbeit beschäftige ich mich nun damit, wie man solche Ereignisse (im Englischen "Calorimeter-Punch-Through" genannt) möglichst schnell und dennoch wirklichkeitsgetreu am Computer simulieren kann. Die Geschwindigkeit mit der die Simulation durchgeführt wird ist hier eigentlich das Hauptproblem. Mit bereits vorhandenen Computersimulationen können wir recht genau voraussagen was passieren wird, allerdings benötigen solche Simulationen meist zu viel Zeit um eine ähnlich große Anzahl an Teilchen-Kollisionen zu simulieren, wie sie am LHC stattfinden (und noch stattfinden werden).


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