Wszech swiat cz astek elementarnychDetekcja cz astek

Wykład OgólnouniwersyteckiWydział Fizyki U.W.

prof. A.F.Zarnecki

Zakład Czastek i Oddziaływan Fundamentalnych, Instytut Fizyki Doswiadczalnej

A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 – p.1/38

Detekcja cz astek• Wprowadzenie

Istota obserwacji w swiecie czastek• Podstawowe procesy fizyczna

- jonizacja- efekt fotoelektryczny- scyntylacja- promieniowanie Czerenkowa

• Metody detekcji czastek- detektory sladowe- kalorymetry

• Współczesne eksperymenty

A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.2/38

Detekcja cz astek

Istota obserwacji

W swiecie makroskopowym mozliwajest obserwacja nie zakłócajaca ob-serwowanego procesu

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.3/38

Detekcja cz astek

Istota obserwacji

Czastek nie mozemy "zobaczyc" nie zakłócajac ich stanu.

W swiecie czastek kazdy pomiar wiaze sie z jakims oddziaływaniem.

Obserwujemy nie czastki, ale (efekty) ich oddziaływania z materia.

Nie mozna zaobserwowac czastki, która nie oddziałuje!

Podstawowe procesy wykorzystywane do detekcji czastek:• jonizacja i scyntylacja• efekt fotoelektryczny• promieniowanie Czerenkowa

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.4/38

Detekcja cz astek

Struktura materii

Atom wodoru: opis klasycznyStan podstawowy (n=1) Kazdy atom składa sie z ja-

dra atomowego, w przypadkuwodoru jest to pojedynczy proton,i elektronów rozmieszczonych napowłokach.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.5/38

Detekcja cz astek

Struktura materii

Atom wodoru: opis klasycznyStan wzbudzony (n=2) W stanie podstawowym atomu

elektrony wypełniaja najnizszedostepne powłoki.

Wzbudzenie atomu polega naprzeniesienie elektronu na wyzszapowłoke. Wymaga dostarczeniaenergii...

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.5/38

Detekcja cz astek

Struktura materii

Atom wodoru: opis klasycznyStan podstawowy (n=1)

Opis kwantowyStan 1s

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.5/38

Detekcja cz astek

Struktura materii

Atom wodoru: opis klasycznyStan wzbudzony (n=2)

Opis kwantowyStan 2s

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.5/38

Detekcja cz astek

Struktura materii

Atom wodoru: opis klasycznyStan wzbudzony (n=3)

Opis kwantowyStan 3s

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.5/38

Detekcja cz astek

Struktura materii

Atom wodoru: opis klasycznyStan wzbudzony (n=3)

Opis kwantowyStan 3d1

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.5/38

Detekcja cz astek

Struktura materiiWłasnosci róznych substancji zaleza od tego jak silnie zwiazane sanajbardziej “zewnetrzne” elektrony (walencyjne)

IzolatorWszystkie elektronysilnie zwiazane z atomami

PrzewodnikElektrony walencyjne sa “uwspólnione”,moga swobodnie sie przemieszczac

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.6/38

Detekcja cz astek

JonizacjaU podstaw działania przewazajacej wiekszosci detektorów czastekelementarnych lezy zjawisko jonizacji:

Czastka naładowana przechodzac przez osrodek oddziałujeKulombowsko z elektronami i oddaje im czesc swojej energii“wybijajac” je z atomów. Pojawiaja sie swobodne nosniki ładnuku

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.7/38

Detekcja cz astek

Emulsja fotograficzna

H. Becquerel, 1896

wzbudzone atomy⇒ reakcja chemiczna M.Danysz i J.Pniewski, 1953

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.8/38

OperaEksperyment OperaEmulsja fotograficzna wciaz w uzyciu...

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.9/38

Detekcja cz astekEmulsja fotograficzna eksperyment OPERA

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.10/38

Detekcja cz astek

Komora Wilsona

Charles Wilson, 1911

jonizacja⇒ jony

⇒ kondensacja pary⇒ slad w postaci mgły

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.11/38

Detekcja cz astek

Komora Wilsona

Charles Wilson, 1911

Carl Anderson, 1932

odkrycie pozytonu

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.12/38

Detekcja cz astek

Komora pecherzykowa, 1952

jonizacja ⇒ wrzenie przegrzanej cieczy⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.13/38

Detekcja cz astek

Komora pecherzykowa

Ciecz pełni tez role “tarczy”, z która oddziaływuja czastki wiazki

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.14/38

Detekcja cz astek

Pomiar jonizacjiJonizacja osrodka oznacza powstanie w nim swobodnych ładunków:mozliwy jest przepływ pradu.

w gazie w półprzewodniku

Przepływajacy ładunek jest na ogół bardzo mały,ale czuła elektronika pozwala go wzmocnic i zmierzyc.Na tej zasadzie opiera sie wiekszosc współczesnych detektorów.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.15/38

Detekcja cz astek

Licznik Geigera-MülleraPrzykładajac odpowiednio wysokie napiecie powodujemy, zepowstałe w wyniku jonizacji elektrony zderzajac sie z atomamiwybijaja kolejne elektrony - powielanie ładunku.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.16/38

Detekcja cz astek

Komora iskrowaJonizacja powoduje przeskokiskry pomiedzy elektrodami

Mozliwosc wyboru zdarzen(sterowanie napieciem)

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.17/38

Detekcja cz astek

Komora wielodrutowaGeorges Charpak 1970(Nobel 1992)

Tanie!Odczyt w pełni elektroniczny!elektronika+komputer⇒ rewolucja

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.18/38

Detekcja cz astek

TPCKomoraprojekcjiczasowej

Przypadekzderzeniaciezkichjonów

detektorSTARprzy RHIC

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.19/38

Detekcja cz astek

Detektory półprzewodnikoweBardzo rózne technologie, m.in. CCD (uzywane w fotografii cyfrowej)

Kazdy aparat cyfrowy jest detektorem czastek!

Zdjecie z kamery astronomicznej. Wycinek:

To nie UFO. To slad czastki...

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.20/38

Detekcja cz astek

Detektory półprzewodnikoweCoraz powszechniej uzywane.

Element detektora krzemowego

Bardzo precyzyjny pomiarpozycji czastek (rzedu µm)

Mierzone punkty przejscia wiazki czastek

przez piec warstw detektora testowego:

Mierzac pozycje w wielu warstwach mozemy zrekonstruowac tor.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.21/38

Detekcja cz astek

ScyntylacjaW wyniku przejscia czastki naład-owanej elektron moze byc “wyr-wany” z atomu, lub przeniesionyna wyzsza powłoke (wzbudzenieatomu).

Powrotowi atomu do stanu pod-stawowego moze towarzyszycwyswiecanie fotonów: scyntylacja

FotonyTakze fotony moga oddziaływac zelektronami w atomie.Przekazuja im cała swoja energie(efekt fotoelektryczny) lub tylkoczesc (rozpraszanie Comptona).

W obu przypadkach elektronmoze zostac “wyrwany” z atomu.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.22/38

Detekcja cz astek

Scyntylacja

W szeregu materiałów atomywzbudzone na skutek jonizacjiemituja fotony swiatła

Błysk swiatła w scyntylatorzemozemy rejestrowac przy pomocyfotopowielacza

Brak pomiaru pozycjiBardzo dobry pomiar czasuprzejscia czastki

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.23/38

Detekcja cz astek

FotopowielaczAby móc zmierzyc pojedynczy foton musimy wzmocnic pojawiajacysie ładunek. Na kolejnych elektrodach (tzw. dynodach) kazdy elektronwybija kilka elektronów wtórnych - powstaje lawina

Jeden foton, jesli tylko uda mu sie wybic pierwszy elektron (efektfotoelektryczny) powoduje przepływ makroskopowego pradu.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.24/38

Detekcja cz astek

Detektory scyntylacyjne

Tradycyjne liczniki scyntyla-cyjne coraz rzadziej uzywane.

Nowe koncepcje:⇐ włókna scyntylujace,

⇓ fotopowielacze krzemowe.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.25/38

Detekcja cz astek

Promieniowanie Czerenkowa

Emitowane przez czastke porusza-jaca sie w osrodku z predkosciawieksza niz predkosc swiatła w tymosrodku.

Swiatło emitowane napewnym odcinku widocznejest w postaci charakterysty-cznych pierscieni

Zachodzi w wodzie, lodzie, powietrzu...Tania technologia dla duzych detektorów!

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.26/38

Detekcja cz astek

Promieniowanie CzerenkowaJesli droga czastki przez osrodek jest dluzsza, mozemy zastosowacspecjalne zwierciadła, zeby skupic emitowane swiatło

Schemat Obraz w detektorze

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.27/38

Detekcja cz astek

Promieniowanie CzerenkowaJesli droga czastki przez osrodek jest dluzsza, mozemy zastosowacspecjalne zwierciadła, zeby skupic emitowane swiatło

Schemat Obraz w detektorze

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.27/38

Współczesne eksperymenty

Super-Kamiokandeeksperyment neutrinowy

Japonia, w starej kopalni, 1 kmpod góra Kamioka, komora owysokosci 40 m i srednicy 40 m,wypełniona woda

11’000 fotopowielaczy (50 cmsrednicy!) rejestruje prze-chodzace czastki

rejestrowane jestpromieniowanie Czerenkowa

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.28/38

Współczesne eksperymenty

Super-Kamiokande

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.29/38

Super-Kamiokande

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.30/38

Współczesne eksperymenty

Super-KamiokandePrzykłady obserwowanych oddziaływan neutrin.

Neutrino elektronowePrzypadek νe n → e−p

Krótki zasieg elektronu“cienki” pierscien

Neutrino mionowePrzypadek νµ n → µ−p

Długa droga mionu w wodzie“gruby” pierscien.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.31/38

Współczesne eksperymenty

Obserwatorium Pierre AugerObserwacja wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego.

Scyntylacja w powietrzu.Promieniowanie Czerenkowa wdetektorach na powierzchni.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.32/38

Współczesne eksperymenty

Obserwatorium Pierre Auger

Detektor powierzchniowy Mapa obserwatorium:

4 stacje po 6 teleskopów obserwujacych swiecenie w atmosferze (UV)1600 detektorów powierzchniowych rozstawionych na 3000 km2 !!!

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.33/38

Współczesne eksperymenty

Obserwatorium Pierre Auger

Schemat obserwacji"peku atmosferycznego":4 "zdjecia" z teleskopów+ "slad" na powierzchni

Na podstawie pomiaru“peku” czastek wtórnychwnioskujemy o energiiczastki pierwotnej

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.34/38

Detekcja cz astek

KalorymetryWszystkie przedstawione do tej pory detektory rejestrowały przejscieczastki, slad czastki w materii ⇒ detektory sladowe.

Aby zmierzyc energie czastki musimy sprawic, aby w wynikuwielokrotnych oddziaływan "oddała ja" w całosci detektorowi.Kalorymetr elektromagnetyczny

Wysokoenergetyczne elektronytraca energie prawie wyłaczniena promieniowanie hamowania

e−

γ

Wysokoenergetyczne fotony ule-gaja konwersji na pary e+ e−

γ

e

e

−

+

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.35/38

Detekcja cz astek

KalorymetryWysokoenergetyczny elektron lub foton wpadajac do detektorawywołuje kaskade składajaca sie z N ∼ E czastek

Mierzac liczbe czastek lub całkowita długosc torów (całkowitajonizacje) mozemy dokładnie okreslic energie czastki poczatkowej

Kalorymetr jednorodny

np. blok scyntylatora

Kalorymetr próbkujacy

warstwy detektora na przemian zgestym absorberem

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.36/38

Detekcja cz astek

Kalorymetry

Symulacja rozwojukaskady hadronowej(pomiar energii protonu)

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 ⇒ – p.37/38

Detektor przy LHC

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 – p.38/38

Detektor przy LHC

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 – p.38/38