Teilchenidentifizierung Cherenkov-Detektoren

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1 Teilchenidentifizierung Cherenkov-Detektoren

2 TEILCHENIDENTIFIZIERUNG Cherenkov-Detektoren Ulrich Schilling Seminar-Vortrag am FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE

3 Übersicht Verfahren zur Teilchenidentifizierung Was ist Cherenkov-Strahlung? Ein Blick zurück in die Historie Grundlegendes zur Theorie Typische Bauformen von Cherenkov-Detektoren Einsatz in der Kern- und Teilchenphysik Photodetektoren Einsatz in anderen Gebieten 3

4 Teilchenidentifizierung Teilchen werden u. a. über ihre Ruhemasse m0 identifiziert. Ruhemasse aus Impuls und Geschwindigkeit bestimmbar Impulsmessung: Ablenkung im homogenen Magnetfeld p=r z e B Geschwindigkeitsmessung =f (β) Ionisation: b=v/c aus Bethe-Bloch-Formel de dx TOF (time of flight) über bekannte Distanz Cherenkov-Strahlung Transitionsstrahlung (Teilchen passiert Übergang zwischen Materie mit unterschiedlichen Brechungsindizes) 4

5 Grenzen der Geschwindigkeitsbestimmung mit Ionisation 5

6 Einsatzbereiche der verschiedenen Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung 6

7 Was ist Cherenkov-Strahlung? Cherenkov-Strahlung entsteht immer dann in einem Dielektrikum, wenn es von geladenen Teilchen mit einer Geschwindigkeit durchquert wird, die größer ist als die Geschwindigkeit des Lichts in diesem Dielektrikum. 7

8 Ein Blick zurück in die Geschichte 1888: vorhergesagt von O. Heaviside aus den Maxwellschen Gleichungen 1910: erstmals beobachtet von M. Curie in Radiumsalz-Lösungen 1934: experimentell untersucht und beschrieben von P. A. Cherenkov 1937: klassisch-theoretische Analyse durch I. Tamm und M. Frank 1950: Erste Nutzung in der Kern- und Teilchenphysik 1968: Erster Einsatz in der Astro-Teilchenphysik 8

9 Der Cherenkov-Effekt Teilchen bewegt sich mit Geschwindigkeit v durch Dielektrikum und polarisiert Moleküle Ausrichtung der Dipole auf Teilchenfeld v > c / n : unsymmetrische Ausrichtung resultierendes Dipolfeld Änderung Dipolfeld Strahlung v < c / n : symmetrische Ausrichtung kein resultierendes Dipolfeld Analogie: Überschallknall Teilchen im Dielektrikum: v < c/n (oben), v > c/n (unten) 9

10 Eigenschaften der Cherenkov-Strahlung c/n c /n 1 = = v βc β n Cherenkov-Winkel: cosθ= Mindestgeschwindigkeit: v m in=c/n bzw. β m in=1/n Typische Brechnungsindizes Material n β min Silberchlorid 2,07 0,48 Plexiglas 1,48 0,66 Wasser 1,33 0,75 Aerogel ~1,05 ~0,953 Pentan 1,0017 0,9983 Luft 1, ,

11 Photonenausbeute, Spektrum Frank-Tamm Formel d2 N 2 π α z2 1 = (1 ) d λ dx λ β n(λ) enthält das Spektrum der Cherenkov-Strahlung 1 1 I (λ) 2 (1 2 ) 2 λ β n (λ ) und die Photonenausbeute λ2 dn 1 dλ =2 πα z 2 (1 2 ) dx β n(λ)2 λ 2 λ 1 pro Wegstrecke dx des Teilchens im Wellenlängenbereich [ λ 1, λ 2 ]. 11

12 Emissionswinkel der Cherenkov-Strahlung Photonenausbeute pro cm Teilchenweg 12

13 Typische Bauformen von Cherenkov-Detektoren Schwellwert-Cherenkov-Detektoren finden Teilchen mit v >v min=c / n Differentielle Cherenkov-Detektoren Abbildende Detektoren bestimmen v aus dem Bild des Cherenkov-Kegels: v = c 1 ncos(θ) Ring-Imaging-Cherenkov-Detektor (RICH) Detection of Internally Reflected Cherenkov-Light (DIRC) Spektrum und Ladungszahl (z = 1!) liefern keine teilchenspezifische Information Große Bandbreite von realisierten Detektoren 13

14 Schwellwert-Detektoren Mehrere Radiatoren (Dielektrika mit unterschiedlichen Brechungsindizes ni ) in Strahlrichtung hinter einander angeordnet Für einen vorgegebenen Impuls werden die ni so eingestellt, dass im 1. Radiator alle Teilchen Cherenkov-Licht abgeben, während im letzten Radiator nur noch das leichteste Teilchen Strahlung auslöst. Grundprinzip eines Schwellwert-Cherenkov-Detektors 14

15 Differentieller Detektor Teilchen mit v>c/n lösen Cherenkov-Strahlung aus Mit zunehmenden v tritt an Grenzfläche Radiator Lichtleiter Totalreflektion ein. Geschwindigkeitsfenster 1/n β 1/ n2 1 Einschränkende Bedingung: Teilchenstrahlrichtung ist vorgegeben. 7 Mit angepasstem Design Δβ/β=10 möglich. Prinzipieller Aufbau eines differentiellen Cherenkov-Detektors 15

16 RICH Detektor Sphärischer und ebener Spiegel erzeugen Bild des CherenkovKonus auf Photodetektorarray Andere Konstruktionen: Brenn- X punkt des sphärischen Spiegels im Wechselwirkungspunkt X Genauigkeit Δβ /β 10 6 Kritisch ist die örtliche Auflösung des Detektors bei der Bestimmung des Radius des ringförmigen Abbilds des Cherenkov-Konus. RICH 1 Detektor am LHCb 16

17 DIRC Detektor am SLAC (BaBar-Experiment) 17

18 SLAC: BaBar-Experiment 18

19 DIRC Detektoren (Detection of internally reflected Cherenkov light) Quarz-Radiatoren (n(λ) 1,47) Auflösung Cherenkov-Winkel: < 1 (BaBar-Experiment) Totalreflektion im Quarz-Stab tritt für Teilchen mit b 1 bei n > 1,4 immer ein Beste K p Trennung für 0,8 GeV/c < p < 2,5 GeV/c; in diesem Bereich: Fehlzuordnung bei ca. 1 % der Ereignisse 19

20 Photodetektoren Übersicht nach Medium der Elektronenbewegung Vakuum-Detektoren Photomultiplier (PMT) eine erprobte Komponente Hybrid-Photodioden (HPT) Gas-Detektoren Multi Wire Proportional Chamber (MWPC) Gas Electron Multiplier (GEM) Silizium-Detektoren Silizium Photomultiplier (SiPM) 20

21 Hybrid-Photodiode Abbildung der Photoelektronen auf das Si-pn-Array durch ein elektrostatisches Feld Typische Verstärkung im Si-pnArray: 5000 (20 kev / 3,8 ev) Die Photokathode bestimmt die Ausbeute an Photoelektronen. Prinzip Hybrid-Photodiode 21

22 Multi Wire Proportional Chamber arbeitet im Wellenlängenbereich von nm CaF2-Fenster, UV-durchlässig freie Ladungsträger durch Ionisation von Triäthylamin (TEA) Ladungsträger-Lawine in Umgebung der Anodendrähte Prinzip der Multi Wire Proportional Chamber 22

23 Gas Electron Multiplier Kammer z. B. mit Ar(80%)/CO2 Elektronen-Lawinen durch große Feldstärken (> 10 kv/m) über die Löcher in den Folien Ionen werden an Cu-Oberfläche gesammelt Charakteristische LochAbmessungen: mm Verstärkung pro Lage: ca. 30 Prinzipieller Aufbau eines GEM 23

24 Silizium-Photomultiplier typ. Pixelgröße: 50x50 mm2 kurze Ansprechzeit: < 1 ns Verstärkung: 106 (Lawineneffekt) Betrieb im sog. Geiger-Modus Nur noch binäre Information über Photonen Silizium Photomultiplier Zelle 24

25 Nutzung der Cherenkov-Strahlung in anderen Gebieten Detektion von radioaktiv markierten Biomolekülen Überwachung abgebrannter Brennelemente in Lagerbecken Beobachtung kosmischer Strahlung (z. B. H.E.S.S.) Neutrino-Astronomie (z. B. IceCube) 25

26 Vielen Dank für Ihr Interesse! 26

27 Literatur-Verzeichnis 1. Grupen, Claus: Teilchendetektoren. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim Kleinknecht, Konrad: Detektoren für Teilchenstrahlung. BG Teubner Stuttgart Schultz-Coulon, Hans-Christian: The Physics of Particle Detectors (SS 2010), Kirchhof-Institut für Physik an der Universität Heidelberg Lippmann, Christian: Particle Identification Milano, Leonardo et al.: Transverse momentum spectra of hadrons identified with the ALICE Inner Tracking System Hamamatsu Photonics K.K.: Optosemiconductor Handbook Chap Wikipedia: Cherenkov radiation Paus, Christoph: MIT 8.882::LHC Physics Lecture 12, L'Annunziata, Michael: Radioactivity Introduction and History. Elsevier Science, Park, Seongtae: Gas Electron Multiplier Detectors and its Application in High Energy Physics. Symp. On Special Topics in Physics, UTA,Texas, Jan Easo, Sajan: Particle Identification. University of Warwick, Warwick weeks Adam, I. et al.: The DIRC Particle Identification System for the BaBar Experiment. 27