Detektoren in der Elementarteilchenphysik

Transkript

1 Detektoren in der Elementarteilchenphysik Vorlesung für den Diplomstudiengang Physik, Wahlpflichtfach Experimentelle Elementarteilchenphysik Dr. Martin zur Nedden Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Physik Berlin, Sommersemester 2006

2 Zusammenfassung Die Elementarteilchenphysik beschäftigt sich mit den Strukturen der Materie bei kleinsten Abständen. Die zentralen Fragen, die uns zu einer Auseinanderzusetzen damit bewegen, sind seit der Antike im Wesentlichen dieselben geblieben: Was ist es, was die Welt im Innersten zusammenhält? Was ist und woraus besteht Materie? Woraus besteht das Universum, wie ist es entstanden und kann man seine weitere Entwicklung vorherbestimmen? Ist die makroskopische Vielfalt der Naturerscheinungen auf einfache, fundamentale Prinzipien zurückzuführen? Um diese Fragen zu beantworten, wurden experimentelle Techniken entwickelt, die sich von anfänglichen kleinen Apparaturen, die auf einem Labortisch betrieben werden konnten, hin zu den modernen Großforschungsanlagen bei DESY, CERN, FERMILAB, KEK oder SLAC entwickelt haben. Das Verständis der modernen experimentellen Techniken ist die Grundlage der richtigen Interprätation der aktuellen Experimente. Diese Vorlesung gibt eine Einführung in die grundlegenden physikalischen Phänomene und beschreibt kurz die heute verwendeten Messmethoden. Da komplexe Elektronik das Herzstück aller modernen Experimente der Teilchenphysik ist, soll auch dies diskutiert werden. Nach einem Kapitel über Beschleunigeranlagen, in dem auch die heute aktuellen Beschleuniger vorgestellt werden, schließt die Vorlesung mit einer Übersicht über die aktuellen Großexperimente.

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Einheiten und Relativistische Kinematik Einheiten Masse-Energie Beziehung, Kinetische Energie Vierervektoren und Lorentzinvarianz Lorentztransformation Detektoren und Beschleuniger in der aktuellen Forschung Formen der Wechselwirkungen Übersicht Beschleuniger Übersicht Detektoren Wechselwirkung von Teilchen mit Materie Vorbemerkungen und Definitionen Wirkungsquerschnitt Wechselwirkungswahrscheinlichkeit und mittlere freie Weglänge Einheiten der Oberflächendichte Wechselwirkungen geladener Teilchen mit Materie Ionisation Bremsstrahlung Cherenkov-Strahlung Wechselwirkung von Photonen mit Materie Hadronische Wechselwirkungen Transportmechanismen Ionosationsmechanismus Mittlere Anzahl produzierter Ionenpaare Transportmechanismen von Elektronen und Ionen in Gasen Diffusion Drift und Mobilität Beweglichkeit von Ionen und Elektronen Lawinenbildung Visuelle Spurdetektoren und Szintilationszähler Klassifikation von Detektoren Ältere Spurdetektoren für geladene Teilchen

4 Inhaltsverzeichnis iii 4.3 Szintillatoren Anorganische Szintillatoren Organische Szintillatoren Photovervielfacher Flugzeitmessung Spurdetektoren mit elektronischer Auslese Planare Ionisationskammern Einfache Zählrohre Signalproduktion Vieldrahtproportionalkammern (MWPC) Driftkammern Beispiel: Das Spurkammersystem von H Time Projection Chambers (TPC) Micro-Strip Gas-Chambers (MSGC) Halbleiterdetektoren Arbeitsprinzipien eines Hableiterzählers Bandstruktur Ladungsträger im Halbleiter Moblilität und Rekombination Dotierte Halbleiter Grenzschichten Ortsmessung mit Halbleiterzählern Ionisation im Halbleiter µ-strip Detektor Dreidimensionale Silizium-Detektoren Kalorimeter Elektromagnetische Kalorimeter Homogene Kalorimeter Sampling Kalorimeter Ortssauflösung Technische Realisierung von Sampling-Kalorimetern Hadronische Kalorimeter Anforderungen an ein hadronisches Kalorimeter Kompensationskalorimetrie Teilchenidentifizierung Teilchenidentifikation Neutronennachweis Neutronenreaktionen Neutronenzähler Cherenkovzähler Intensität der Cherenkovstrahlung Differentieller Cherenkov-Zähler (DISC)

5 iv Inhaltsverzeichnis RICH-Cherenkov-Zähler DIRC - Abbildender Cherenkov Zähler Übergangsstrahlung Impulsmessung Trigger und Datenaquisition Datenauswahl durch Trigger Eigenschaften moderner Beschleuniger Triggerkonzepte Einstufiger Trigger, Busy-Logik Mehrstufiger Trigger, Buffering Realisierung von Triggern Bespiele moderner Großexperimente Lepton Lepton Streuung Das Experiment BaBar bei PEP II Das Experiment Opal bei LEP Hadron Hadron Streuung Das Experiment CDF am TEVATRON Das Experiment LHCb am LHC Das Experiment CMS am LHC Das Magnetfeld: Die Myonenkammern: Das Experiment Atlas am LHC Hadron Lepton Streuung Das Experiment H1 bei HERA Fixed Target Hadron Streuung Das Experiment HERA-B bei HERA Experimente mit kosmischer Höhenstrahlung Gamma Astronomie (H.E.S.S.) Neutrino Astronomie (Amanda und ICE-Cube)