Bothes Koinzidenzmethode Wegbereiterin der modernen Teilchenphysik. Volker Metag II. Physikalisches Institut Universität Gießen

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1 Bothes Koinzidenzmethode Wegbereiterin der modernen Teilchenphysik Volker Metag II. Physikalisches Institut Universität Gießen

2 Nobelpreis für Physik 1954 für die Koinzidenzmethode und seine damit gemachten Entdeckungen : Studium der Physik, Mathematik, Chemie und Musik in Berlin : Physikalisch-Technische Reichsanstalt Berlin (unterbrochen durch I. Weltkrieg) 1929: Walther Bothe geb gest Privatdozent und außerordentlicher Professor an der Universität Gießen : ordentlicher Professor und Direktor des Physikalischen Instituts der Universität Giessen : Leiter des Instituts für Physik im Kaiser-Wilhelm Institut für Medizinische Forschung, Heidelberg (heute: Max-Planck-Institut), und Universität Heidelberg

3 Was ist eine Koinzidenz? Zeit-Lexikon: Zusammentreffen zweier Ereignisse Wikipedia: Zusammentreffen verschiedener Signale in einem einzigen Ereignis Koinzidenz: zeitliches (und örtliches) Zusammentreffen von Pfeil und Bär Alle Körper fallen gleich schnell

4 horizontaler Wurf und vertikaler Fall Vergleich der Bewegungen einer senkrecht nach unten fallenden und einer waagrecht geworfenen Kugel Man sieht deutlich, dass die vertikale Position unabhängig von der horizontalen Bewegung ist. Beide Kugeln erreichen gleichzeitig, d.h. koinzident den Boden

5 Bothes erste Koinzidenzschaltung (1928) Koinzidenzstufe Detektor 1 Verstärker Detektor 2 Verstärker Zeitauflösung t 0,1 ms

6 Moderne Koinzidenz-Schaltung Detektor 1 Detektor 2 Diskriminator Diskriminator Koinzidenzeinheit Verzögerung stop start Zählrate TAC time-to-amplitude converter (TAC) Zeit-zu-Amplituden-Konverter t [ns] Zeitauflösung t 1 ns

7 Kosmische Strahlung meistens Protonen, aber auch schwere Elemente: 85% p; 12.5% He; 2.5% schwere Ionen mit Energien bis zu 1020 ev Reaktionen der kosmischen Protonen mit Atmosphäre (N, O) der Erde in ca. 10 km Höhe Kaskaden von Zerfallsprozessen z.b.: p + p p n π+ π+ µ+ νµ Myon

8 Das KASKADE Experiment im Forschungszentrum Karlsuhe zur Untersuchung der Höhenstrahlung Eine Vielzahl von Einzeldetektoren wird koinzident ausgelesen: energiereiche Schauer bis zu 1020 ev beobachtet

9 Bothes Entdeckungen mittels der Koinzidenzmethode (I) Höhenstrahlung: Nachweis einer durchdringenden Komponente (Myonen) in der Höhenstrahlung Comptoneffekt: koinzidenter Nachweis von gestreutem Photon und Rückstoß-Elektron; strenge Gültigkeit von Energie- und Impulserhaltung im elementaren Stoßprozess gestreute Strahlung E = h ν' ankommende Strahlung E = h ν e

10 Bothes Entdeckungen mittels der Koinzidenzmethode (II) Erste Beobachtung eines angeregten Atomkerns: γ α-teilchen (4He) γ Atomkern Abregung des Atomkerns durch ein oder mehrere koinzident nachgewiesene γ-quanten Beobachtung einer durchdringenden Strahlung: Beschuss von 9Be mit α-teilchen aus einer Po-Quelle: α (Po) 9Be Reaktion: 9Be(α,nγ)12C; Beobachtung des Neutrons Bedeutung des Experiments nicht erkannt; Nobelpreis (1935) James Chadwick (Liverpool)

11 Zeitliche Entwicklung des Universums 15 Milliarden Jahre 3K 1 Milliarde Jahre Zeit Jahre 3 Minuten 1 tausendstel Sekunde Temperatur 20 K K 109 K 1012 K Länge zurück zum Urknall

12 Zurück zum Urknall mit ultrarelativistischen Kern-Kernstößen Geschwindigkeit der kollidierenden Atomkerne nahe Lichtgeschwindigkeit hoch verdichtete und erhitzte Kollisionszone T 1012K Explosion der Kollisionszone Bei der Kollision zweier Atomkerne entsteht gleichzeitig eine Vielzahl neuer Teilchen, die - um das Ereignis zu charakterisieren - alle koinzident ( t < 1 ns) nachgewiesen werden müssen. Umwandlung von Energie in Masse: E = mc2

13 Der STAR-Detektor am RHIC, Brookhaven, USA (Relativistic Heavy-Ion Collider) Millionen von Detektorelementen müssen koinzident ausgelesen werden

14 Rekonstruierte Spuren von Teilchen aus einer Au-Au-Kollision (in Richtung der kollidierenden Strahlen gesehen)

15 seitliche Sicht auf eine Au-Au-Kollision

16 Der ATLAS Detektor am CERN Inbetriebnahme des LHC: November 2007

17 Large Hadron Collider, CERN, Genf 27 km Umfang, 100m tief

18 Koinzidenter Nachweis der Teilchen-Antiteilchen Vernichtung Zerstrahlung von Positronium (e+,e-) e+ und e- umkreisen einander ähnlich wie e- um p in H-Atom γ e+ τ =1, s e- γ E = mc2 e+ und e- haben gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Zentrum; bei Aufeinandertreffen von e+ und e- Zerstrahlung von Materie und Antimaterie: kev e + + e 2γ ; me = 511 c2 Es werden gleichzeitig 2 Photonen mit einer Energie von je 511 kev kollinear emittiert; Zerstrahlung nachzuweisen durch koinzidente Registrierung der beiden Photonen

19 Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Matrix aus BGO Szintillationskristallen 12 C (Z=6, N=6, A=12) 11 C Kernreaktion des 12C-Projektils mit den Atomkernen der Krebszellen: Abstreifen eines Neutrons Projektilfragmentation: 12C 11C + n radio-aktiver Zerfall: T1 / 2 = 20 min C 5 B + 6 e+ + ν e e+ + e- 2 Photonen (511 kev) ; Masse Strahlung (Einstein: E = mc2) 3-dimensionale Rekonstruktion des Emissionsorts mit Millimetergenauigkeit

20 Anordnung von BGO-Szintillationskristallen für PET (GSI-Darmstadt)

21 Erste Bestrahlung bei der GSI im Dezember C-Ionen mit Energie von 350 MeV/u Überwachung der Bestrahlung mittels Positronen-Emissions-Tomographie

22 Vorteil der Krebstherapie mit Schwerionenstrahlen (12C) millimeter genaue Energiedeposition konzentriert im Bereich des Tumors Schonung des gesunden Gewebes Energiedeposition kaum Nebenwirkungen Überwachung der Bestrahlung durch PET größte Energieabgabe am Ende der Ionenbahn 12 C Photonen Eindringtiefe [cm] ca. 500 Patienten erfolgreich bei GSI bestrahlt; dedizierte Beschleunigeranlagen im Aufbau in Heidelberg und Marburg

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24 Zusammenfassung: Ich hoffe, folgende Fragen beantwortet zu haben: Was ist eine Koinzidenz? Worin besteht Bothes Koinzidenzmethode? Welche bedeutenden Entdeckungen gelangen Bothe mit der Koinzidenzmethode? Welche Bedeutung hat Bothes Koinzidenzmethode heute a.) in der Forschung? b.) in der medizinischen Anwendung?