3. Experimentelle Verfahren der Kern- und Teilchenphysik

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1 3. Experimentelle Verfahren der Kern- und Teilchenphysik 3.1 Wechselwirkung von Strahlung und Teilchen mit Materie 3.2 Teilchendetektoren (3.3 Beschleuniger, verschoben auf Teil 2) 1

2 3.1 Wechselwirkung von Strahlung und Teilchen mit Materie 2

3 3.1.1 Energieverlust geladener Teilchen (v Bahngeschw. des Elektrons) 3

4 3 4

5 . gestoppt 5

6 Vielfachstreuung (Rutherford) statistisch gaußförmige Verteilung von θ in Ebene mit Standardabweichung von θ 0 6

7 Bremsstrahlung Energieverlust von Elektronen. Material X 0 [g/cm²] E Krit [MeV] H Al Ar Xe Fe Pb Plexiglas H 2 O NaI(Tl)

8 elektromagnetische Schauer Wenn E Teilchen > E krit Bremsstrahlug Ausbildung elektromagnetischer Schauer aus alternierenden Folgen von Photonen und e - e + -Paaren Primärelektron Energie E 0 Bremsstrahlung Paarbildung i 8

9 Cherenkov-Strahlung Mediumlänge. 9

10 Wechselwirkung von Photonen mit Materie 10

11 Photoeffekt 11

12 Comptoneffekt: Kinematik 12

13 Comptoneffekt: Wirkungsquerschnitt (Klein-Nishina Formel) 13

14 Comptoneffekt: Winkelverteilung 14

15 Comptoneffekt: Energieverteilung 15

16 Paarerzeugung 16

17 Abschwächung von elektromagnetischer Strahlung in Materie 17

18 18

19 Versuch zur Wechselwirkung von Strahlung mit Materie: Energiemessung von Gammastrahlung mit Ge-Detektor Ge Detector Cs Quellen 19

20 Peak bei ca. Kanal 280 Pulshoehen von Ereignissen bei 30 o wurden 50 min aufgenommen, danach wurde 50min der Untergrund (ohne Cs Quelle) abgezogen. 20

21 Peak bei ca. Kanal 200 Pulshoehen von Ereignissen bei 60 o wurden 50 min aufgenommen, danach wurde 50min der Untergrund (ohne Cs Quelle) abgezogen. 21

22 Peak bei ca. Kanal 140 Pulshoehen von Ereignissen bei 90 o wurden 50 min aufgenommen, danach wurde 50min der Untergrund (ohne Cs Quelle) abgezogen. 22

23 Direkte Einstrahlung von 661keV Photonen ( 137 Cs) in den Ge-Detektor 23

24 3.2 Teilchendetektoren 24

25 3.2.1 Spurdetektoren Nebelkammer / Cloud Chamber Photo Credit: Carl D. Anderson, Vol.43, p491 (1933) Wilsonsche Nebelkammer: Übersättigung des Gases durch Expansion Kondensation an ioniserenden Teilchen Andersons Entdeckung des Positrons: Positron kommt von unten, trifft auf Bleiplatte, verliert Energie und tritt oben wieder aus der Bleiplatte (kleinerer Radius wegen Energieverlust) NP

26 Nebelkammer am DESY 26

27 Blasenkammer / Bubble Chamber Blasenkammer (D.A. Glaser NP 1960, Alvarez NP 1968) Gargamelle (CERN) 1973: Entdeckung der neutralen, schwachen Ströme (EPS Prize 2009) 27

28 Photoemulsionen Standard detector (danach Blasenkammer) C.F. Powell NP 1950 Auch heute wieder aktuell: DONUT: Nachweis des tau-neutrinos (2000) OPERA (Neutrino Oszillationen) bricks aus Blei/Photoemulsion 28

29 Streamerkammer / Funkenkammer 29

30 a) Ionisationskammer Gasdetektoren 30

31 31

32 Typische Zahlenwerte 32

33 b) Proportionalkammer Gasdetektoren 33

34 Arbeitsbereiche von gasgefüllen Detektoren 34

35 3.2.2 Gasdetektoren c) Vieldrahtproportionalkammer / Multiwire Proportional Chamber MWPC 35

36 Feldlinien und Äquipotentiallinien in einer MWPC 36

37 3.2.2 Gasdetektoren d) Driftkammer / Vieldrahtdriftkammer t 0 t 1 σ = µm 37

38 38

39 39

40 3.2.2 Gasdetektoren e) Time Projection Chamber TPC 40

41 3.2.3 Szintillationszähler 41

42 42

43 Nachweis von Photonen: Photomultiplier 43

44 44

45 Beispiel: Ortec NaI Detektor 45

46 Super-Kamiokande Detektor

47

48 Borexino während der Füllphase (oben Szintillator, unten Reinstwasser)

49 Plastik Szintillator fuer MINERVA experiment (Fermilab)

50 APD Avalanche Photodiode Microchannel plates MCP 50

51 3.2.4 Halbleiterzähler 51

52 52

53 Silizium Oberflächendetektoren 53

54 Vergleich der Auflösungen verschiedener Detektoren PDG 54

55 3. Experimentelle Verfahren der Kern- und Teilchenphysik 3.1 Wechselwirkung von Strahlung und Teilchen mit Materie 3.2 Teilchendetektoren 3.3 Beschleuniger 55

56 56

57 Neue Methode um Elektronen zu vervielfachen: GEM = Gas Electron Multiplier 57