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.
W. C. Röntgen, 1895Entdeckung der ‘X-Strahlen’
Photopapier/ Film esteht aus AgBr / AgCl
Silberbromid + „Energie“ ➠ metallisches Silber (undurchsichtig, schwarz)
✪ Sehr gute Auflösung (<0.1 mm)
✬ Keine Zeitinformation
✬ Keine schnelle „online“-Auswertung
µ
µ
µµ
(z.Z. immer noch nur als Computersimulation)
H → ZZ → 4µ
Ein „typisches“ Ereignis in einem LHC Experiment bei einer frontalen Kollision zweier Protonen
Aufgrund der hohen Strahlintensität und Energie des LHC entstehen solche Ereignisse 40 Millionen Mal pro Sekunde.
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 ?
Zeit
Zeit
Fixed Target - ExperimentCollider - Experiment
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
a
b
r
E
1/r
a
cathode
anode
gasEthreshold
Prinzip Geiger-Zähler
photodetector
Szintillationsdetektor
Ef
E
valence band
conductance band
h
e
Festkörperdetektor
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.
N
S
Target
Spurdetektoren
Magnet
Spurdetektoren
Teilchenidentifikation
2 Kalorimeter
Detektoraufbau fürFixed Target - Experiment
p p
Die verschiedenen Detektorkomponenten sind in konzentrischen Schalen um den Kollisions-Punkt aufgebaut.
Jede Schale hat eine besondere Aufgabe, wie Z.B. • Spurnachweis, • Impulsbestimmung, • Energiemessung, • Teilchenidentifikation.
Ein starkes Magnetfeld krümmt die Spuren geladener Teilchen.
MagnetspuleFeldlinien
Detektoraufbau für Collider - Experiment
DELPHI
ca. 8.6 km
60 -
160
m
COMPASS
MUB
HAC
TOF
SOL
HPC
OD
RIB
STIC
VSAT
QUAD (partie du LEP)
Chambre à vide (LEP)
VTX et chambre à vide (DELPHI)
ID
TPC
FCA
RIF
FCB
FEMC
FHAC
HOF
MUF
SMC
MUB HAC TOF SOL HPC OD RIB STIC VSAT QUAD(pa rtie du LEP)
Chambre à vide (LEP)VTXetchamb re à vide (DELP HI)ID TPC
FCA R IF FCB FEM C FHAC HO F MUF SMC
MUB HAC TOF SOL HPC OD RIB STIC VSAT QUAD(pa rtie du LEP)
Chambre à vide (LEP)VTXetchamb re à vide (DELP HI)ID TPC
FCA R IF FCB FEM C FHAC HO F MUF SMC
Magnet
RICH (misst Geschwindigkeit)
Polarisiertes Target
KalorimeterHodoscopes
COMPASS Detektor
µ Strahl
Spurdetektoren
60 m
1m
Zwei 60 cm lange Targetzellen
Supraleitender Magnet (2.5 T)
COMPASS TargetCOMPASS Target
Strahl
Der Myon StrahlDer Myon Strahl
Was ist im Proton?Was ist im Proton?
polarisierter polarisierter MyonstrahlMyonstrahl
gestreutes Myon
gestreutes Myon
ProtonProtonQuarksQuarks
GluonenGluonen
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