Detektoren für Elementarteilchen Wie funktioniert ein Teilchendetektor? Was kann / will man messen? Warum sind die Detektoren so riesig? 2 Beispiele COMPASS DELPHI Christian Joram und Gerhard Mallot
Einer der frühesten Teilchendetektoren Photographischer Film Damit lassen sich Lichtteilchen, sog. Photonen, Röntgenstrahlen und andere Teilchenarten nachweisen. Photopapier/ Film esteht aus AgBr / AgCl W. C. Röntgen, 1895 Entdeckung der X-Strahlen Silberbromid + Energie metallisches Silber (undurchsichtig, schwarz) Sehr gute Auflösung (<0.1 mm) Keine Zeitinformation Keine schnelle online -Auswertung
Ein typisches Ereignis in einem LHC Experiment bei einer frontalen Kollision zweier Protonen (z.z. immer noch nur als Computersimulation) µ H ZZ 4µ µ Aufgrund der hohen Strahlintensität und Energie des LHC entstehen solche Ereignisse 40 Millionen Mal pro Sekunde. µ µ Jedesmal entstehen dabei ca. 3500 Teilchen (geladene und neutrale). Die Detektoren müssen alle nachweisen und vermessen können, praktisch in Echtzeit.
Was passiert bei einem Zusammenstoss von Elementarteilchen? Collider - Experiment Fixed Target - Experiment Zeit Zeit
Wie weist man Elementarteilchen nach? Viele verschiedene Methoden wurden entwickelt. Alle basieren irgendwie auf Ionisation von Atomen Anregung von Atomen freie Ladungstraeger (Elektronen) elektrisches Signal Verstärkung Aufzeichnung Prinzip Geiger-Zähler Szintillationsdetektor Festkörperdetektor gas cathode b E E threshold E conductance band e a anode 1/r photodetector E f a r h valence band
Was will/kann man messen? Charakterisierung eines Elementarteilchens verlangt Nachweis seiner Spur. Präzision ~10 µm 1 mm Impuls (Betrag und Richtung). Krümmung der Teilchenbahn im magnetischen Feld. Das geht nur für geladene Teilchen. Aus der Krümmungsrichtung ergibt sich das Ladungsvorzeichen +/- Grosser Impuls Grosser Krümmungsradius Grosser Detektor. Bestimmung seiner Identität (wenn moeglich). Ist das nachgewiesene Teilchen ein Myon, Pion, Proton, Kaon, Photon, etc.? Bestimmung des Zeitpunkts des Nachweises. Präzision ~1 ns. Das ist wichtig um z.b. Lebensdauern von Teilchen zu messen oder zu prüfen, ob verschiedene Teilchen zum selben Ereignis gehören.
Was macht man mit ungeladenen Teilchen wie Photonen, Neutronen Keine Ladung keine Krümmung im Magnetfeld keine Impulsinformation Messung ihrer Energie in sog. Kalorimetern. Kalorimeter sind massive schwere Detektoren. Ein Kalorimeter bremst ein Teilchen ab und absorbiert es. Die Bewegungsenergie des Teilchens wird letztendlich in ein elektrisches Signal umgewandelt. Um hochenergetische Teilchen abzubremsen braucht man viel Platz und Masse! Grosser Detektor.
Detektoraufbau für Fixed Target - Experiment Magnet 2 Kalorimeter Target Spurdetektoren N Spurdetektoren S Teilchenidentifikation
Detektoraufbau für Collider - Experiment Die verschiedenen Detektorkomponenten sind in konzentrischen Schalen um den Kollisions-Punkt aufgebaut. Feldlinien Magnetspule Jede Schale hat eine besondere Aufgabe, wie Z.B. Spurnachweis, Impulsbestimmung, Energiemessung, p Teilchenidentifikation. p Ein starkes Magnetfeld krümmt die Spuren geladener Teilchen.
ca. 8.6 km 60-160 m DELPHI COMPASS
FEM FHAC HO MUF SMC R C FCB F IF FCA MUB HAC TOF SOL ID TPC HPC OD RIB STIC VSAT QUAD(pa rtiedulep) Chambre VTXetchamb àvide(lep) reàvide(delp HI) FCA MUB RIF HAC FCB TOF FEMC SOL FHAC HPC HOF MUF SMC OD RIB STIC QUAD (partie du LEP) VSAT Chambre à vide (LEP) VTX et chambre à vide (DELPHI) ID TPC
COMPASS Detektor 60 m Kalorimeter Hodoscopes Magnet Polarisiertes Target Spurdetektoren µ Strahl RICH (misst Geschwindigkeit)
COMPASS Target Supraleitender Magnet (2.5 T) Strahl Zwei 60 cm lange Targetzellen 1m
Der Myon Strahl
Was ist im Proton? gestreutes Myon polarisierter Myonstrahl Quarks Gluonen Proton
Viel Spass...