Struktur der Materie für Lehramt. Detektoren und Beschleuniger

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1 Struktur der Materie für Lehramt Detektoren und Beschleuniger Michael Martins, Erika Garutti Universität Hamburg Sommer-Semester 2013

2 Teil II: Struktur 1 Einführung 2 Tools: Teilchenprozessen, Relativistische Kinematik, Quantenfeldtheorie, Wirkungsquerschnitt 3 Kernphysik 4 Detektoren und Beschleuniger 5 Teilchenphysik 2

3 Beschleuniger und Teilchendetektoren Warum Teilchenbeschleuniger? E=mc 2 : Hohe Energien, um schwere (neue) Teilchen zu erzeugen. λ=h/p: Untersuchung von Strukturen und Kräften bei kleinen Abständen Teilchenbeschleuniger: - geladene Teilchen im E-, B- Feld. dp F = = e( E + v B), p = mγv dt - Für và c B-Feld viel effektiver als E-Feld* )! (1 GV/m entspricht 3 Tesla!) *) typische Werte maximale Feldstärken: E: MV/m, B: 5-10 Tesla Elemente von Teilchenbeschleunigern: 1. Teilchenquelle (Injektor) 2. Beschleunigung durch elektrische Felder 3. Ablenkung (Kreisbahn) durch magnetische Felder ( Dipole ) 4. Fokussierung durch magnetische Felder ( Quadrupole und Korrekturmagnete)

4 Beschleuniger 2. Für kleine Energien (<100 MeV): Gleichspannung (van de Graaff) Für hohe Energien: Hohlraumresonatoren RF-Kavitäten - normal leitende: Bei hohen Frequenzenà hohe Felder (bis 100 MV/m). Verluste à Energieverbrauch - supraleitende: Felder bis ~40 MV/m RF-Kavität Tesla Entwicklung (DESY) à für ee-linear Collider (nächster Großbeschleuniger!) 3. Dipolmagnete: wegen Stromverbrauch supraleitend. Bsp: B=5.2 T (HERA p: 920 GeV km Umfang) B=8.3 T (LHC p: 7000 GeV - 27 km Umfang) p r = r[ m] = p[ GeV / c] Krümmungsradius: qb 0.3q[ e] B[ T] 4. Quadrupol Linsen F Fokussierung nur in einer Ebene Defokussierung in anderer Ebene Horizontal fokussierender Quadrupol

5 Beschleunigeranlage: Teilchenquelle à Vorbeschleuniger à Hauptbeschleuniger/ Speicherring, an dem Experimente gemacht werden Beschleuniger

6 Beschleuniger Fortschritte bei der Entwicklung von Beschleunigern für pp und e + e - (Energie vs. Jahr): Beschleunigte Ladung strahlt Energie ab à Synchrotronstrahlung abgestrahlte Leistung: (Energie x B-Feld) 2 / (mc 2 ) 4 ) à Synchrotronlicht für Forschung + industrielle Anwendungen à Elektronen verlieren in Kreisbeschleuniger so viel Energie, dass ab ~200GeV Linearbeschleuniger einzige Möglichkeit, à um hohe Energien zu erreichen: p- Speicherringe (aber experimentell viel schwieriger, insbesondere für Präzisionsmessungen!) Grund: Komplexe Struktur des Protons. Protonen sind keine Elementarteilchen.

7 PETRA DESY

8 Vergleich Tevatron-LHC location : Fermilab, Chicago,USA CERN, Geneve, Switzerland start : (restart 2010) collider type : proton anti-proton proton proton experiments (top) : CDF, D0 ATLAS, CMS, ALICE, LHC-B s : 1.8 GeV 1.96 GeV 7 TeV 8 TeV ( 14 TeV) L (instantaneous) : x10 32 cm -2 s (4x10 32 for 2010) cm -2 s -1 L (integrated) : 10 fb /3000 fb -1 σ(tt) expected : 7 pb 850 pb (7 TeV: 160 pb) tt events / 50 pb -1 : ,500 (8,000) 8

9 Detektoren

10 Particle detection The detector sees only stable particles (cτ > 500µm) the 8 most frequently produced are: e ±,µ ±,γ,π ±,K ±,K 0,p ±,n In order to detect a particle, it has to interact - and deposit energy Ultimately, the signals are obtained from the interactions of charged particles Neutral particles (photons, neutrons) have to transfer their energy to charged particles to be measured è calorimeters 10

11 Detection and identification of particles Detection = particle counting (is there a particle?) Identification = measurement of mass and charge of the particle (most elementary particle have Ze=±1) How: - charged particles are deflected by B fields such that: ρ B ρ = p ZeB p Z = γm 0βc Z p = particle momentum m 0 = rest mass βc = particle velocity - particle velocity measured with time-of-flight method β 1 Δt t 1 t 2 11

12 Detection and identification of particles Detection = particle counting (is there a particle?) Identification = measurement of mass and charge of the particle (most elementary particle have Ze=±1) How: - kinetic energy determined via a calorimetric measurement E kin = ( γ 1)m 0 c 2 γ = 1 1+ β 2 - for Z=1 the mass is extracted from E kin and p - to determine Z (particle charge) a Z-sensitive variable is e.g. the ionization energy loss de dx Z 2 β 2 ln aβ 2 γ 2 ( ) a = material-dependent constant 12

13 Interaction of particles and γ-radiation with matter Different type of interactions for charged and neutral particles Difference scale of processes for electromagnetic and strong interactions Detection of charged particles (Ionization, Bremsstrahlung, Cherenkov ) Detection of γ-rays (Photo/Compton effect, pair production) Detection of neutrons (strong interaction) Detection of neutrinos (weak interaction) 13

14 Energieverlust von Teilchen in Materie Energieverlust von Teilchen in Materie Ziel: präzise Messung von p,e, m der in Wechselwirkung erzeugten Teilchen Nachweis nur über Wechselwirkung mit Materie à ein Teil der Energie des Teilchens wird in elektrisches oder optisches Signal umgewandelt à Messung beeinflusst Energie und Bahn der Teilchen Energieverlust (schwerer >> m e ) geladener Teilchen de dx = 2π N re2 a m e c 2 ρ Z z 2 " ln( 2m e c2 β 2 γ 2 $ A β 2 # I 2 = MeV cm 2 /g Absorber medium I = mean ionization potential Z = atomic number of absorber A = atomic weight of absorber ρ = density of absorber δ = density correction C = shell correction de dx Z 2 β 2 ln aβ 2 γ 2 ( ) Bethe-Bloch-Formel: W max ) 2β 2 δ(βγ) C % ' Z & Incident particle z = charge of incident particle β = v/c of incident particle γ = (1-β 2 ) -1/2 W max = max. energy transfer in one collision Fundamental constants r e =classical radius of electron m e =mass of electron N a =Avogadro s number c =speed of light

15 Energieverlust von Teilchen in Materie Bethe-Bloch-Formel: de dx Z 2 β 2 ln aβ 2 γ 2 ( ) 1/β 2 Abfall Anwachsen ~ ln β 2 γ 2 Minimum bei βγ = 3

16 Energieverlust von Teilchen in Materie Bremsstrahlung

17 Energieverlust von Teilchen in Materie Energieverlust leichter Teilchen( m e ) de/dx (Bethe-Bloch) + Bremsstrahlung (Feld des Kerns dominiert klassische Erzeugung der Röntgen-Strahlung) à σ ~ E e Z 2 de dx Brems = E X 0 Bremsstrahlung X 0 = Strahlungslänge à Cherenkov Effekt elektromagnetische Schockwelle wenn Geschwindigkeit v eines Teilchens größer als Lichtge- schwindigkeit im Medium v > c/n à Cherenkov Licht auf Kegel θ c à Teilchenidentifikation de dx Cherenkov z 2 sin 2 θ c Cherenkov Effekt cosθ C =1/(nβ) βc Teilchengeschwindigkeit c/n: Lichtgeschwindigkeit im Medium

18 Energieverlust von Photonen in Materie Wechselwirkungen von Photonen: Photoeffekt (PE): Photon wird absorbiert und schlägt Elektron aus Atomhülle Compton-Effekt: Streuung Photon an einem Elektron der Atomhülle Paar (e + e - ) Erzeugung im elektrischen Feld des Atomkerns

19 Energieverlust von Photonen in Materie Totale Wirkungsquerschnitte für WW von Photonen und Kohlenstoff und Blei Photo-E. Compton E. Paarerzeugung

20 Teilchendetektoren Spurkammern zur Messung der Bahn geladener Teilchen à Radius R im Magnetfeld à Teilchenimpuls B p [GeV/c] = 0.3 z R[m] B[T] à Ionisation à Energieverlust (de/dx) R B Photographische Emulsionen - genausten Detektoren (< 1µm Ortsauflösung) - historisch: viele bedeutende Entdeckungen (µ-lepton, π-meson, ) - heute: kurzlebige Teilchen e.g. τ-identifkation im OPERA Experiment Nebel- und Blasenkammer (Bilder à e.g. Entdeckung Positron) - unterkühltes Gas/überhitze Flüssigkeit à Ionen bilden Kondensationskeime à Photographien à Auswertung mit Mustererkennung - dominierte Teilchenphysik bis in die frühen 80 iger Jahre - vollständiges Bild von Wechselwirkung mit ausgezeichneter Präzision - nicht geeignet für seltene Ereignisse und an Speicherringen

21 Detector quiz: which principle is used in these pictures?

22 Detektoren Proportional und Driftkammer geladenes Teilchen à Elektronen/Ionen im Gas der Driftkammer à durch E-Feld Drift zum Anodendraht à Verstärkung à Signal Messung der Driftzeit à Ortsbestimmung viele verschiedene Varianten Bestandteil jedes Großdetektors Begrenzung: Messgenauigkeit ~ 0.1mm Halbleiterdetektoren p-n Diode in Sperrrichtung gepolt à Verarmungszone ohne freie Ladungsträger à Teilchendurchgang à e-loch-paare à Ladungen induzieren Signale in Auslesestreifen Messung Ladungsverteilung à Ortsbestimmung möglich dank der hoch-entwickelten Halbleitertechnologie + Mikroelektronik viele verschiedene Varianten Bestandteil jedes Großdetektors Messgenauigkeit bis mm (2µm) Begrenzung: Kosten + Größe Detektoren E 22

23 Detektoren: Kalorimeter Kalorimeter zur Messung der Energie neutraler und geladener Teilchen durch Absorption der gesamten Energie eines Teilchens: Signal Energie Elektromagnetische Kalorimeter Schauer durch Prozesse: e(z)à e+γ (Bremsstrahlung) γ (Z)à e + e - (Paarbildung E>2mc 2 ) Verdopplung der Anzahl der Teilchen (e +,e -,γ) nach einer Strahlungslänge X 0 Homogene und Stichproben-Kalorimeter Auflösung de/e ~ (1 20)%/ (E[GeV]) à bei hohen Energien besser als Impulsmessung mit Spurdetektoren im B-Feld Hadronische Kalorimeter Schauer durch hadronische Prozesse: Hadron+Aà viele neue Teilchen à viel komplizierter als em Schauer à mehr Absorberdicke notwendig à schlechtere Energieauflösung: de/e ~ (30 100)%/ (E[GeV])

24 Ein typischer HEP Detektor Zwiebelschalenprinzip Stosspunkt Spursystem (im Magnetfeld) Kalorimeter Induziert Shower in dichtem Material Myonen- Detektor Innere Tracking Lagen aus Silizium EM Lagen Mit feiner Segmentierung Hadronische Lagen Absorber-Material Electron Jet Muon Ablenkungswinkel Impuls Experimentale Signatur eines Quarks oder Gluons Fehlende Transversale Energie Signatur eines nicht- (oder schwach-) wechselwirkenden Teilchens. z.b. Neutrino.

25 Der Compact Muon Solenoid Detektor

26 CMS Online Animation docid=97&version=1&filename=cms_slice_elab.swf 26

27 Beispiel: Der CMS Silizium Tracker Reine Silizium-Lösung Größter Si Tracker der Welt: 220qm Si! 3 Lagen Pixel 10 Lagen Streifensensoren (Barrel-Bereich) 9 Endkappen-Räder 25k Streifensensoren, 75k Auslesechips, Fast 10 M Auslesekanäle à Industrielle Fertigung nötig.

28 Installation des CMS Spurdetektors

29 CMS Silizium Sensoren

30 Zusammenfassung: Beschleuniger und Detektoren hohe Energien è neue Teilchen mit großer Massen (E = m c 2 ) è hohe Ortsauflösung (λ = h/p) für Strukturuntersuchungen Linear-Beschleuniger und Ring-Beschleuniger (erreichbare Energien, Synchrotronstr.) Teilchennachweis durch (EM) Wechselwirkung mit Detektormaterial è Messsignal Energieverlust durch elektromagnetische Wechselwirkung: schwere geladene Teilchen: Bethe-Bloch Formel leichte geladene Teilchen: außerdem Bremsstrahlung geladene Teilchen mit v Teilchen > c/n: Cherenkov-Effekt Photonen: Photoeffekt, Compton-Effekt, Paar-Erzeugung Spurdetektoren für geladene Teilchen (Impuls/Ladung aus Kreisbahn im B-Feld) Photoemulsionen Nebel- und Blasen-Kammern Proportional- und Drift-Kammern Halbleiterdetektoren Energiemessung durch Absorption der gesamten Energie (Teilchenschauer) elektromagnetische Kalorimeter Schauer durch elektromagn. Prozesse s.o. hadronische Kalorimeter - Schauer durch hadronische u. elektromagn. Prozesse Großdetektoren: zwiebelschalenförmige Anordnung verschiedener Sub-Detektoren mit jeweils speziellen Messaufgaben