Das ALICE-Experiment Vanessa Zgrajek

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1 Das ALICE-Experiment Vanessa Zgrajek Wintersemester 2015/16 EXPERIMENTELLE METHODEN IN DER KERN- UND TEILCHENPHYSIK Dozent: Prof. Dr. U. Wiedner

2 Gliederung Motivation Forschungsziele Physikalische Grundlagen ALICE Detektor ALICE Experiment: Ergebnisse Zusammenfassung 2

3 Motivation Entstehung des Universums verstehen Verständnis für Grundstruktur der Materie Abb. 1: Entstehung des Universums 3

4 Forschungsziele Nachweis und Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) Eigenschaften des QGP beobachten untersuchen, wie sich Teilchen bildeten und uns bekannte Materie entstand 4

5 Physikalische Grundlagen Quark-Gluon-Plasma (QGP) Quantenchromodynamik (QCD) Starke Wechselwirkung 5

6 Physikalische Grundlagen Quark-Gluon-Plasma (QGP) Zustand hadronischer Materie bei hoher Energiedichte unter irdischen Bedingungen nicht vorhanden besteht aus quasifreien Quarks und Gluonen individuelle Teilchen wechselwirken nach Gesetzen der Quantenchromodynamik 6

7 Physikalische Grundlagen Quantenchromodynamik (QCD) Quantenfeldtheorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung Murray Gell-Mann Hadronen aus Quarks aufgebaut Quarks an Hadronen gebunden Quarks tragen Farbladung (rot, blau, grün) Gluonen als Austauschteilchen der starken Wechselwirkung Gluonen tragen Farbladung aus Farbe und Antifarbe 7

8 Physikalische Grundlagen Starke Wechselwirkung koppelt verschiedenfarbige Quarks und Gluonen zu farblosen Hadronen zusammen Eigenschaften Confinement Zunahme der Energie E bei steigendem Abstand x (E~x) nur farblose Zustände können isoliert existieren, d.h. Quarks und Gluonen nie eigenständig Asymptotische Freiheit je geringer Abstand x, desto geringer die Stärke der WW bei kleinem x Quarks und Gluonen quasifrei (QGP) Abb.2: Feynman Diagramm der Starken Wechselwirkung 8

9 Physikalische Grundlagen Phasendiagramm Abb. 3: Quantenchromodynamisches Phasendiagramm 9

10 Abb. 4: Standort-Übersicht der Experimente am LHC 10

11 ALICE-Detektor A Large Ion Collider Experiment 25m Länge 16m Breite 16m Höhe t Gewicht in 50m Tiefe Kosten Bildung des QGPs durch Kollision von Blei-Ionen Abb. 5: ALICE-Detektor 11

12 ALICE-Detektor 208 Pb-Ionen, weil magische Protonen- (82) und Neutronenzahl (126) schwerste stabile Element großer Kollisionsquerschnitt hohe Ruhemasse hohe Bewegungsenergie durch Beschleunigung bis zu s NN = 5.5TeV bzw. 2.76TeV pro Nukleon ALICE Detektion von Teilchen und Rekonstruktion hadronischer Schauer indirekter Nachweis des QGPs Abb. 6: Schematische Darstellung einer Schwerionenkollision 12

13 ALICE-Detektor Abb. 7: Simulierte Kollision von Blei-Ionen (rot: Nukleonen der Kerne; gelb: Mesonen (z.b. J/ψ); blau: angeregte Baryonen (z.b. Proton, Neutron) 13

14 ALICE-Detektor Zentralteil aus Detektoren mit η =0.9 Inner Tracking System Time Projection Chamber Transition Radiation Detector Time of Flight umgeben von Solenoid Magneten 12m lang, B=0.5T Subdetektoren High Momentum Particle Ident. Detector Photonen Spektrometer (Kalorimeter) Myonenarm mehrstufiges Triggersystem Auswahl relevanter Ereignisse Abb. 8: Übersicht der Subdetektoren von ALICE 14

15 ALICE-Detektor Inner Tracking System (ITS) Inneres Spurverfolgungssystem Funktion: Lokalisation primärer und sekundärer Vertices Verbesserung der Impuls- und Winkelauflösung mit TPC Aufbau: 3 Silizium-Detektoren à 2 Schichten Pixel-Detektor Drift-Detektor Streifen-Detektor zylinderförmig um Strahlrohr 24,5cm Länge Abb. 9: Detektorschichten des ITS 15

16 ALICE-Detektor Time Projection Chamber (TPC) Teilchenverfolgungsdetektor Funktion: Rekonstruktion der Teilchenbahn (Hauptdetektor) Aufbau: Hohlzylinder umgibt ITS V=88m³, d=5.56m, L=5.1m, 0.88m<r>2.5m Gasgemisch aus 90% Ne und 10% CO 2 Abb. 10: Schematischer Aufbau der TPC 16

17 ALICE-Detektor Transition Radiation Detector (TRD) Übergangsstrahlungsdetektor Funktion: Teilchenidentifikation (Elektronen und Pionen) Trigger für TPC Aufbau: 540 einzelne Detektormodule 18 in azimutaler Richtung (je 8m) 5 Stapel in z-richtung 6 Lagen in radialer Richtung Abb. 11: Modulanordnung im TRD 17

18 ALICE-Detektor Transition Radiation Detector (TRD) Übergangsstrahlungdetektor Aufbau: Jedes Modul besteht im Einzelnen aus Radiator: Erzeugung von Übergangsstrahlung Auslesekammer: Detektion Übergangsstrahlung, Trajektorie Teilchen Trägerplatte Abb. 12: Funktionsweise der Module im TRD 18

19 ALICE-Detektor Time of Flight (ToF) Funktion: Bestimmung der Masse hochenergetischer Teilchen (Pionen und Kaonen) Bestimmung der Flugzeit geladener Teilchen vom Kollisionspunkt bis zum Detektor (4m) Aufbau: 18 Sektoren in azimutaler Richtung aus je 5 Modulen 1638 einzelne Detektorelemente 160m² aktive Fläche Auslesepads Abb. 13: Schematischer Aufbau der ToF 19

20 ALICE-Detektor High Momentum Particle Identification Detector (HMPID) Funktion: Berechnung der Masse hochenergetischer Teilchen über Winkel emittierter Cherenkov-Photonen Identifikation hochenergetischer Teilchen Pionen, Kaonen, Protonen mit einem Impuls von p=1-5 GeV/c Aufbau: Ring Imaging Cherenkovzähler (RICH) aus 7 Modulen 12m² Oberfläche Abb. 14: Aufsicht des HMPID 20

21 ALICE-Detektor Photon Spectrometer (PHOS) Funktion: Nachweis hochenergetischer Photonen Energievermessung von Photonen Aufbau: 3584 Blei-Wolfram-Kristallen (Szintillatoren) 8m² Fläche Abb. 15: Ansicht des Photonen-Spektrometers 21

22 ALICE-Detektor Myonenarm - Myonen Spektrometer Funktion: Nachweis von Myonen-Paaren aus Quark Zerfällen Bahnrekonstruktion der Myonen Aufbau: Absorber: unterdrückt alle Teilchen außer Myonen schützt Kammern vor Photonen und Hadronen Driftröhren Myon setzt Elektronen durch Ionisation frei Elektronen von positiv geladener Elektrode angezogen Myonen durch Dipolmagnet abgelenkt, B=0.7T (Myonenarm) Driftkammer zur Bahnrekonstruktion der Myonen Abb. 16: Auslesekammern (oben) und Absorber (unten) 22

23 Abb. 17: Allgemeiner Teilchennachweise in verschiedenen Detektoren Übersicht 23

24 Abb. 17: Darstellung eines Mini-Urknall in Bezug auf die Temperatur 24

25 ALICE-Experiment Ergebnisse Fluss: Informationen über Zustand und Transporteigenschaften von Materie azimutale Verteilung der Teilchen im Impulsraum in Fourier-Koeffizienten zerlegbar 2.Fourier Koeffizient: Elliptischer Fluss v 2 RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) Materie verhält sich wie perfektes Fluid (durch ALICE bestätigt) wichtig, da hydrodynamische Modelle zur Beschreibung des QGPs angewendet werden können Abb. 18: Messungen zum elliptischen Fluss verschiedener Experimente: Elliptischer Fluss aufgetragen gegen Schwerpunktsenergie 25

26 ALICE-Experiment Ergebnisse Thermische Photonen in früher Phase des QGPs Photonen emittiert Photonen verlassen Kollisionszone unterliegen nicht der starken WW direkter Nachweis der heißen, frühen Kollisionsphase Photokonversion: Paarbildung von Teilchen und Antiteilchen, z.b. Elektron und Positron Signale in Kalorimeter erfasst Abb. 19: Schema der Photokonversion: Paarbildung von Elektron und Positron aus Photon 26

27 ALICE-Experiment Ergebnisse Thermische Photonen jedoch: Photonen im ganzen Prozess produziert, auch im Hadronengas Indirekte Photonen: entstehen aus Zerfällen Prompte Photonen: entstehen in harter Parton- Parton-Streuung hochenergetisch Thermische Photonen: entstehen im QGP durch Kollision von Quarks und Gluonen niederenergetisch mit 1-4GeV Ergebnis gemessene Temperatur von 304MeV = 3.5x10 12 C liegt über der kritischen Temperatur (T krit =170MeV) Abb. 20: Datenaufnahme der Photonen: Häufigkeit der pro Kollision erzeugten Photonen gegen Transversalimpuls 27

28 ALICE-Experiment Ergebnisse Jet Quenching Confinement: bei Trennung zweier Quarks steigt Energie mit Abstand, bis neues Quark- Antiquark-Paar entsteht Jet Wechselwirkung Partonen (Energieverlust) in QGP höher als in hadronischer Materie Annahme: ohne Modifikation durch Medium müssten Spektren aus pp-kollision und PbPb-Kollision übereinstimmen (R AA : nuklearer Modifikationsfaktor) Ergebnis: Jet-Quenching (symbolisiert durch R AA ) nachgewiesen Abb. 21: Ergebnisse des Jet-Quenching: R AA aufgetragen gegen Transversalimpuls 28

29 ALICE-Experiment Ergebnisse - J/ψ-Unterdrückung Paare schwerer Quarks & Antiquarks entstehen Quarkonia, z.b. Charmonium. Bottonium J/ψ im QGP Bildung unterdrückt Quarkonia zerfallen in e - e + - Paar (TRD) bzw. μ - μ + -Paar, welche detektiert werden können Ergebnis: Unterdrückung von J/ψ sowohl bei PHENIX Au-Au als auch bei ALICE Pb-Pb-Kollision nachgewiesen bei ALICE durch hohe Kollisionsenergie auch erstmalig Nachweis einer Unterdrückung von ϒ Abb. 22: Jet-Quenching: R AA in Abhängigkeit von der Teilchenzahl bei der Kollision 29

30 Zusammenfassung ALICE ermöglicht durch hohe Energien die Erforschung des QGP in bisher nicht dagewesener Weise Forschungsziel: Nachweis und Untersuchung QGP Signaturen weisen auf Existenz eines QGP s hin thermische Photonen (Temperatur) Jet-Quenching J/ψ-Unterdrückung Abb. 23: Darstellung eines Mini-Urknall in Bezug auf die Temperatur 30

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32 Literaturverzeichnis Anielski, J. (2011): Entwicklung eines Triggersystem zum Testen und Kalibrieren der Supermodule des ALICE-TRD. Diplomarbeit.Münster. Eckardt et al. (2002): Schwerionenphysik am RHIC Mit großen Teilchenbeschleunigerng kommt man dem Urknall nah. In: Physik Journal, Nr. 11. S Weinheim

33 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Entstehung des Universums Abb. 2: Feynman-Diagramm der Starke Wechselwirkung Abb. 3: Quantenchromodynamisches Phasendiagramm Abb. 4: Standort-Übersicht der Experimente am LHC Abb. 5: ALICE-Detektor Abb. 6: Schematische Darstellung einer Schwerionenkollision Abb. 7: Simulierte Kollision von Blei-Ionen Abb. 8: Übersicht der Subdetektoren von ALICE Abb. 9: Detektorschichten des ITS Abb. 10: Schematischer Aufbau der TPC Abb. 11: Modulanordnung im TRD Abb. 12: Funktionsweise der Module im TRD Abb. 13: Schematischer Aufbau der ToF Abb. 14: Aufsicht des HMPID Abb. 15: Ansicht des Photonen-Spektrometers Abb. 16: Auslesekammern (oben) und Absorber (unten) Abb. 17: Darstellung eines Mini-Urknalls in Bezug auf die Temperatur Abb. 18: Messungen zum elliptischen Fluss verschiedener Experimente Abb. 19: Schema der Photokonversion Abb. 20: Datenaufnahme der Photonen Abb. 21: Darstellung des Jet-Quenching Abb. 22: Jet-Quenching: Nuklearer Modifikationsfaktor in Abhängigkeit von der Teilchenzahl bei der Kollision Abb. 23: Darstellung eines Mini-Urknall in Bezug auf die Temperatur 33

34 ALICE-Experiment Ergebnisse Strange Particles Strangness unter starker WW Erhaltungsgröße nur s s-paare erzeugt Energie zur Erzeugung von s s-paar liegt bei Temperatur vor, ab welcher Nukleonen und Hadronen in q und g zerfallen s s-paare durch Fusion von g+g s s deshalb bei Kollision mit QGP Konzentration von s-teilchen höher als ohne QGP Ergebnis: Verstärkung auch bei niedrigeren Energien (pp- Kollision) Je größer das Volumen der Kollision, desto höher die Verstärkung Abb. 22: Anzahl der s-teilchen 34