Teilchen sichtbar machen

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1 Teilchen sichtbar machen PD Dr. M. Weber Albert Einstein Center for Fundamental Physics Laboratorium für Hochenergiephysik Physikalisches Institut Universität Bern 1 PD Dr. M. Weber Physik Masterclasses 2011 Müons, Quarks, Hadrons. All diese Teilchen, die man nicht sieht. Deswegen habe ich agefangen zu Trinken. Aber jetzt kann ich sie sehen! Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 2 1

2 Bausteine der Materie Wechselwirkungen Modelle (z.b. Standardmodell) Experimente Hypothesen testen Neues Entdecken Neue Hypothesen Theorie Detektoren Teilchen sichtbar machen Eigenschaften messen Beschleuniger: kontrolliertes Reproduzieren der Natur im Labor CERN in Genf Paul-Scherrer-Institut in Villigen Masterclasses 2012 PD Dr. M. Weber 3 ÜBERSICHT Teilchen Nachweisen Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie Detektoren Spuren Elektrische Signale Licht Teilchenidentifikation Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 4 2

3 Elementarteilchen Sie sind allgegenwärtig (Kosmische Strahlung, Radioaktivität) Wir werden von ihnen durchdrungen und merken nichts davon Elektrisch geladene Teilchen können wir aufspüren Die Spuren, die sie hinterlassen, sichtbar machen Mit Magneten ihre Bahn beeinflussen Ihre Geschwindigkeit messen Sie abbremsen und absorbieren Gewisse Teilchen hinterlassen keine Spuren (z.b. Neutrinos). Wir können sie nur an den typischen Reaktionen, die sie auslösen, erkennen Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 5 Teilchen hinterlassen Spuren Welche Spuren sind von welchem Tier? Was können wir über das Tier lernen? Gewicht Geschwindigkeit Welches Tier Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 6 3

4 7 Teilchen durchdringen Materie Elementarteilchen sind klein! Proton-Radius 1 femtometer = m = m Atom-Radius ~ 1 Å = m = 10 5 x Kern-Radius Raum erscheint leer mit isolierten positiven Atomkernen und weit verteilten Elektronen Wahrscheinlichkeit für direkte Treffer mit einem Kern ist sehr gering Elektrische Wechselwirkung geschieht mit der Elektronen Hülle Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 8 4

5 Wechselwirkung geladener Teilchen Energieabgabe an die Elektronen des Absorber-Materials Auf der Spur des Teilchens => Anregung und/oder Ionisation der Absorberatome Elektron - Ion - Paare => Erwärmung des Materials + Ionisation Kontinuierliche Abbremsung des Müons Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 9 Elektronischer Detektor Funkenkammer 10 5

6 Kosmische Müonen Teilchen (vor allem Protonen) aus dem Weltall mit hohen Energien ( GeV) kollidieren mit Kernen der Atmosphäre Produktion von Pionen ( = s) Zerfall in Müonen ( = s) Müonen erreichen Erde, Zeitdilatation (spezielle Relativitätstheorie) L : 600 m => ~ 12 km Rate senkrecht von oben auf Erdoberfläche: ~ 1 / cm 2 min Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 11 Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 12 6

7 Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 13 Drahtkammer: Position Messen Elektrische Auslese, Digitalisierung Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 14 7

8 Drift tubes

9 Auflösung Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 17 Höhere Auflösung: Silizium Detektoren 50 m Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 18 9

10 Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 19 ATLAS Inner Detector (LHC/CERN) One sensor: 50k pixels a 50x400um 3M channels 35 m 2 80M channels Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 20 10

11 21 Solenoid magnets p qvb = v R B[ T] R[ m] = pégev cù êë úû 22 11

12 23 Teilchen absorbieren Müonen gehen weit duch Materie und hinterlassen Spuren Elektronen und Hadronen werden stärker abgebremst oder reagieren stärker mit Materie Absorbtion Energie Messung Verschiedene Absorption Teilchenidentifikation Spur Absorption Position, Impuls Energie Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 24 12

13 Bremsstrahlung / Paarproduktion Energieverlust durch Bremstrahlung im Feld eines Kernes 2 E / m particle Paar-Production 25 Bremsstrahlung und Paar-Produktion 26 13

14 Sampling Kalorimeter Incident particle Absorber Lead, Tungsten, Uranium Detector MWPC, scintillator, silicon pads, noble liquid Lagen von Absorber (passiv) und Detektor (aktiv) Statistische Fluktuationen (Anzahl der Elektronen im aktiven Material) -> Energieaufloesung 27 Elektronen (Photonen) Elektro- Magnetisches Kalorimeter Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 28 14

15 Hadron interactions Interaction length is much larger than the radiation length X 0 Due to strong interaction, the shower is much wider 29 Energieverlust und Detektoren 68% in Erwärmung 29% in Ionisation Detektor: Blasenkammer Photo Emulsion Drahtkammer Silizium Detektoren Time Projection Chamber Geiger Zähler 3% in Licht Szintillation (UV) Zusätzlich können Teilchen abstrahlen (Cerenkov, Bremsstrahlung, ) Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 30 15

16 Szintillatoren (Teilchen erzeugen Licht) Das Licht muss gesammelt und gemessen werden Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 31 Hadronisches Kalorimeter Masterclasses 2012 PD Dr. M. Weber 32 16

17 Physik Masterclasses PD Dr. M. Weber 34 17

18 Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 35 Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 36 18

19 37 Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 38 19

20 sichtbar Nicht sichtbar MISSING TRANSVESE ENERGY (Missing E T ) Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 39 Physik Masterclasses 2011 PD Dr. M. Weber 40 20

21

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