Struktur der Materie für Lehramt
Detektoren und Beschleuniger
Michael Martins, Erika Garutti Universität Hamburg Sommer-Semester 2013
Teil II: Struktur
1 Einführung 2 Tools: Teilchenprozessen, Relativistische Kinematik,
Quantenfeldtheorie, Wirkungsquerschnitt 3 Kernphysik 4 Detektoren und Beschleuniger 5 Teilchenphysik
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Beschleuniger und Teilchendetektoren
vmpBvEedtpdF
γ=×+== ),(
Warum Teilchenbeschleuniger?
• E=mc2: Hohe Energien, um schwere (neue) Teilchen zu erzeugen.
• λ=h/p: Untersuchung von Strukturen und Kräften bei kleinen Abständen
Teilchenbeschleuniger:
- geladene Teilchen im E-, B- Feld.
- Für vàc B-Feld viel effektiver als E-Feld*) ! (1 GV/m entspricht 3 Tesla!) *) typische Werte maximale Feldstärken: E: 10-50 MV/m, B: 5-10 Tesla
Elemente von Teilchenbeschleunigern:
1. Teilchenquelle (Injektor)
2. Beschleunigung durch elektrische Felder
3. Ablenkung (Kreisbahn) durch magnetische Felder („Dipole“)
4. Fokussierung durch magnetische Felder („Quadrupole“ und Korrekturmagnete)
Beschleuniger 2. Für kleine Energien (<100 MeV): Gleichspannung (van de Graaff)
Für hohe Energien: Hohlraumresonatoren – RF-Kavitäten
- normal leitende: Bei hohen Frequenzenà hohe Felder
(bis 100 MV/m). Verluste àEnergieverbrauch
- supraleitende: Felder bis ~40 MV/m
Tesla Entwicklung (DESY) à für ee-Linear Collider
(nächster Großbeschleuniger!)
3. Dipolmagnete: wegen Stromverbrauch supraleitend.
Bsp: B=5.2 T (HERA p: 920 GeV - 6.3 km Umfang)
B=8.3 T (LHC p: 7000 GeV - 27 km Umfang)
Krümmungsradius:
4. Quadrupol „Linsen“
Fokussierung nur in einer Ebene
Defokussierung in anderer Ebene
F
RF-Kavität
][][3.0]/[][TBeqcGeVpmr
qBpr =→=
Horizontal fokussierender Quadrupol
Beschleuniger…
Beschleunigeranlage: Teilchenquelle à Vorbeschleuniger à Hauptbeschleuniger/Speicherring, an dem Experimente gemacht werden
Beschleuniger Fortschritte bei der Entwicklung von Beschleunigern für pp und e+e- (Energie vs. Jahr):
Beschleunigte Ladung strahlt Energie ab à Synchrotronstrahlung abgestrahlte Leistung: (Energie x B-Feld)2 / (mc2)4 ) à „Synchrotronlicht“ für Forschung +
industrielle Anwendungen à Elektronen verlieren in
Kreisbeschleuniger so viel Energie, dass ab ~200GeV Linearbeschleuniger einzige Möglichkeit,
à um hohe Energien zu erreichen: p-
Speicherringe (aber experimentell viel schwieriger, insbesondere für Präzisionsmessungen !) Grund: Komplexe Struktur des Protons. Protonen sind keine Elementarteilchen.
PETRA III @ DESY
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Vergleich Tevatron-LHC
location : Fermilab, Chicago,USA CERN, Geneve, Switzerland start : 1987 2008 (restart 2010) collider type : proton – anti-proton proton – proton experiments (top) : CDF, D0 ATLAS, CMS, ALICE, LHC-B √s : 1.8 GeV→ 1.96 GeV 7 TeV → 8 TeV (→ 14 TeV) L (instantaneous) : 1030 → 3x1032 cm-2s-1 1034 (4x1032 for 2010) cm-2s-1
L (integrated) : ≈ 10 fb-1 ≈ 300/3000 fb-1
σ(tt) expected : ≈ 7 pb ≈ 850 pb (7 TeV: 160 pb) tt events / 50 pb-1 : ≈ 350 ≈ 42,500 (8,000)
Detektoren
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Particle detection
§ The detector sees only “stable” particles (cτ > 500µm) § the 8 most frequently produced are:
§ e±,µ±,γ,π±,K±,K0,p±,n
§ In order to detect a particle, it has to interact - and deposit energy
§ Ultimately, the signals are obtained from the interactions of charged particles
§ Neutral particles (photons, neutrons) have to transfer their energy to charged particles to be measured è calorimeters
Detection and identification of particles
§ Detection = particle counting (is there a particle?) § Identification = measurement of mass and charge of the particle
(most elementary particle have Ze=±1) How: - charged particles are deflected by B fields such that:
- particle velocity measured with time-of-flight method
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ρ =pZeB
∝pZ=γm0βcZ
ρ
¤ B
p = particle momentum m0 = rest mass βc = particle velocity
t1 t2
β ∝1Δt
Detection and identification of particles
§ Detection = particle counting (is there a particle?) § Identification = measurement of mass and charge of the particle
(most elementary particle have Ze=±1) How: - kinetic energy determined via a calorimetric measurement - for Z=1 the mass is extracted from Ekin and p - to determine Z (particle charge) a Z-sensitive variable is e.g. the ionization energy loss
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Ekin = γ −1( )m0c2 γ =
11+β 2
dEdx
∝Z 2
β 2ln aβ 2γ 2( )
a = material-dependent constant
Interaction of particles and γ-radiation with matter
Different type of interactions for charged and neutral particles Difference “scale” of processes for electromagnetic and strong interactions
§ Detection of charged particles (Ionization, Bremsstrahlung, Cherenkov …) § Detection of γ-rays (Photo/Compton effect, pair production) § Detection of neutrons (strong interaction)
§ Detection of neutrinos (weak interaction)
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Energieverlust von Teilchen in Materie Energieverlust von Teilchen in Materie Ziel: präzise Messung von ,E, m der in Wechselwirkung erzeugten Teilchen Nachweis nur über Wechselwirkung mit Materie à ein Teil der Energie des Teilchens wird in elektrisches oder optisches Signal umgewandelt à Messung beeinflusst Energie und Bahn der Teilchen
Energieverlust (schwerer >> me) geladener Teilchen
p
Incident particle z = charge of incident particle β = v/c of incident particle γ = (1-β2)-1/2
Wmax= max. energy transfer in one collision
Fundamental constants re=classical radius of electron me=mass of electron Na=Avogadro’s number c =speed of light
=0.1535 MeV cm2/g
Absorber medium I = mean ionization potential Z = atomic number of absorber A = atomic weight of absorber ρ = density of absorber δ = density correction C = shell correction
dEdx
∝Z 2
β 2ln aβ 2γ 2( )
−dEdx
= 2πNare2mec
2ρZAz2
β 2ln(2mec
2β 2γ 2
I 2Wmax )− 2β
2 −δ(βγ )− CZ
"
#$
%
&'
Bethe-Bloch-Formel:
Energieverlust von Teilchen in Materie
Bethe-Bloch-Formel:
1/β 2 Abfall
Minimum bei βγ = 3
Anwachsen ~ ln β2γ2
dEdx
∝Z 2
β 2ln aβ 2γ 2( )
Energieverlust von Teilchen in Materie
Bremsstrahlung
Energieverlust von Teilchen in Materie
Energieverlust leichter Teilchen( me) dE/dx (Bethe-Bloch) + Bremsstrahlung (Feld des Kerns dominiert – „klassische“ Erzeugung der Röntgen-Strahlung) à σ ~ EeZ2
X0 = Strahlungslänge
à Cherenkov Effekt elektromagnetische „Schockwelle“ wenn Geschwindigkeit v eines Teilchens größer als Lichtge- schwindigkeit im Medium v > c/n à Cherenkov Licht auf Kegel θc
à Teilchenidentifikation
Bremsstrahlung
cosθC=1/(nβ)
Cherenkov Effekt
βc Teilchengeschwindigkeit c/n: Lichtgeschwindigkeit im Medium
−dEdx Brems
=EX0
−dEdx Cherenkov
∝ z2 sin2θc
Energieverlust von Photonen in Materie
Wechselwirkungen von Photonen:
Photoeffekt (PE): Photon wird absor- biert und schlägt Elektron aus Atomhülle
Compton-Effekt: Streuung Photon an einem Elektron der Atomhülle
Paar (e+e-) Erzeugung im elektrischen Feld des Atomkerns
Energieverlust von Photonen in Materie
Totale Wirkungsquerschnitte für WW von Photonen und Kohlenstoff und Blei
Compton E.
Paarerzeugung
Photo-E.
Teilchendetektoren
Spurkammern zur Messung der Bahn geladener Teilchen à Radius R im Magnetfeld à Teilchenimpuls ⊥ B p⊥[GeV/c] = 0.3 z R[m] B[T] à Ionisation à Energieverlust (dE/dx) Photographische Emulsionen
- genausten Detektoren (< 1µm Ortsauflösung) - historisch: viele bedeutende Entdeckungen (µ-Lepton, π-Meson, …) - heute: kurzlebige Teilchen – e.g. τ-Identifkation im OPERA Experiment
Nebel- und Blasenkammer (Bilder à e.g. Entdeckung Positron)
- unterkühltes Gas/überhitze Flüssigkeit à Ionen bilden „Kondensationskeime“ à Photographien à Auswertung mit Mustererkennung
- dominierte Teilchenphysik bis in die frühen 80iger Jahre - vollständiges Bild von Wechselwirkung mit ausgezeichneter Präzision - nicht geeignet für „seltene“ Ereignisse und an Speicherringen
¤ B
R
Detector quiz: which principle is used in these pictures?
Detektoren Proportional und Driftkammer geladenes Teilchen à Elektronen/Ionen im
Gas der Driftkammer à durch E-Feld Drift zum Anodendraht à Verstärkung à Signal
Messung der Driftzeit à Ortsbestimmung viele verschiedene Varianten – Bestandteil jedes Großdetektors Begrenzung: Messgenauigkeit ~ 0.1mm
Halbleiterdetektoren p-n Diode in Sperrrichtung gepolt à Verarmungszone ohne freie Ladungsträger à Teilchendurchgang à e-Loch-Paare à Ladungen induzieren Signale in Auslesestreifen Messung Ladungsverteilung à Ortsbestimmung möglich dank der hoch-entwickelten Halbleiter- technologie + Mikroelektronik viele verschiedene Varianten – Bestandteil jedes Großdetektors Messgenauigkeit bis 0.002 mm (2µm) Begrenzung: Kosten + Größe Detektoren
E
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Detektoren: Kalorimeter Kalorimeter zur Messung der Energie neutraler und geladener Teilchen durch
Absorption der gesamten Energie eines Teilchens: Signal ∝ Energie Elektromagnetische Kalorimeter Schauer durch Prozesse: e(Z)à e+γ (Bremsstrahlung) γ (Z)à e+e- (Paarbildung E>2mc2) Verdopplung der Anzahl der Teilchen (e+,e-,γ) nach einer Strahlungslänge X0 Homogene und Stichproben-Kalorimeter Auflösung dE/E ~ (1 … 20)%/√(E[GeV]) à bei hohen Energien besser als Impulsmessung mit Spurdetektoren im B-Feld
Hadronische Kalorimeter Schauer durch hadronische Prozesse: Hadron+Aà viele neue Teilchen à viel komplizierter als em Schauer à mehr Absorberdicke notwendig à schlechtere Energieauflösung: dE/E ~ (30 … 100)%/√(E[GeV])
Ein “typischer” HEP Detektor
Hadronische Lagen
Spursystem (im Magnetfeld)
Kalorimeter Induziert Shower
in dichtem Material
Innere Tracking Lagen
aus Silizium
Myonen- Detektor
Stosspunkt
Absorber-Material
Ablenkungswinkel → Impuls
Electron
Experimentale Signatur eines Quarks oder Gluons
Muon
Jet
“Fehlende Transversale Energie” Signatur eines nicht- (oder schwach-) wechselwirkenden Teilchens. z.B. Neutrino.
EM Lagen Mit feiner
Segmentierung
Zwiebelschalenprinzip
Der Compact Muon Solenoid Detektor
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CMS Online Animation
https://cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/PublicEPPOGDocDB/RetrieveFile?docid=97&version=1&filename=CMS_Slice_elab.swf
Beispiel: Der CMS Silizium Tracker
Größter Si Tracker der Welt: 220qm Si!
3 Lagen Pixel
10 Lagen Streifensensoren (Barrel-Bereich)
9 Endkappen-Räder
25k Streifensensoren, 75k Auslesechips, Fast 10 M Auslesekanäle àIndustrielle Fertigung nötig.
Reine Silizium-Lösung
Installation des CMS Spurdetektors
CMS Silizium Sensoren
Zusammenfassung: Beschleuniger und Detektoren • hohe Energien è neue Teilchen mit großer Massen (E = m c2)
è hohe Ortsauflösung (λ = h/p) für Strukturuntersuchungen
• Linear-Beschleuniger und Ring-Beschleuniger (erreichbare Energien, Synchrotronstr.) • Teilchennachweis durch (EM) Wechselwirkung mit Detektormaterial è Messsignal
• Energieverlust durch elektromagnetische Wechselwirkung: • „schwere“ geladene Teilchen: Bethe-Bloch Formel • „leichte“ geladene Teilchen: außerdem Bremsstrahlung • geladene Teilchen mit vTeilchen > c/n: Cherenkov-Effekt • Photonen: Photoeffekt, Compton-Effekt, Paar-Erzeugung
• Spurdetektoren für geladene Teilchen (Impuls/Ladung aus Kreisbahn im B-Feld) • Photoemulsionen • Nebel- und Blasen-Kammern • Proportional- und Drift-Kammern • Halbleiterdetektoren
• Energiemessung durch Absorption der gesamten Energie (Teilchenschauer) • elektromagnetische Kalorimeter – Schauer durch elektromagn. Prozesse s.o. • hadronische Kalorimeter - Schauer durch hadronische u. elektromagn. Prozesse
• Großdetektoren: zwiebelschalenförmige Anordnung verschiedener Sub-Detektoren mit jeweils speziellen Messaufgaben