NIEWIDZIALNE DO DETEKCJI CZĄSTEK. czyli. Z Hajduk Z. Hajduk IFJ PAN KRAKÓW

Transkrypt

1 JAK WIDZIMY TO NIEWIDZIALNE czyli WPROWADZENIE DO DETEKCJI CZĄSTEK Z Hajduk Z. Hajduk IFJ PAN KRAKÓW

2 Referencje Niniejszy wykład korzysta z materiałów i danych zawartych w : oraz CERN Summer Student Lectures 2005 DETECTORS Olav Ullaland, PH Department, CERN. Maj 2007 ZH 2/41

3 Cel naszego spotkania? Poznać bliżej aparaturę i jej zasady działania, stosowaną w badaniu Mikrokosmosu Czyli świata cząstek elementarnych Tym samym pozwolić Państwu na łatwiejsze oglądanie tego co zobaczycie Niczym nie przypomina aparatury z jaką na co dzień spotyka się ę fizyk spoza tych badań Maj 2007 ZH 3/41

4 Jak robimy eksperyment FWE? Zasada jest prosta: + = Maj 2007 ZH 4/41

5 Pytania? Z lecących szczątków zrekonstruować zegarek i zgadnąć jak działa! Bardzo uproszczone przedstawienie ale dość akuratne... To był eksperyment na stałej tarczy A jakby zderzyć dwa zegarki?? To będzie eksperyment na zderzaczach Maj 2007 ZH 5/41

6 Szczątki (ale nie tylko!) Maj 2007 ZH 6/41

7 Prehistoria (< 1950) Klisze fotoczułe (promieniowanie rentgenowskie) M Liczniki Geigera-Müllera Płytki scyntylacyjne (eksperyment Rutherforda) Komora mgłowa (Wilson) C Bloki emulsji fotoczułej promieniowanie kosmiczne L Figure 1 F S D T R P B Maj 2007 ZH 7/41

8 Historia - niedawna Komora pęcherzykowa Zapis tylko optyczny - fotografia Trochę późno! Maj 2007 ZH 8/41

9 Co mierzyć? Tory (topologia przypadku, wtórne wierzchołki) Energię (hadronową czyli niesioną przez hadrony i elektromagnetyczną t tę zawartą w elektronach/pozytonach i fotonach będących produktami oddziaływania) zasada zachowania energii pomaga w zobaczeniu niewidzialnego Pęd (stosuje się zasadę zachowania pędu dla zbalansowania przypadku; pomaga w identyfikacji) Identyfikować (jaka cząstka?) zwykle przez pomiar prędkości (znając pęd wyliczymy masę!) Maj 2007 ZH 9/41

10 Składniki każdego eksperymentu Identification Muon chambers Maj 2007 ZH 10/41

11 ????????? Cząstki możemy zobaczyć tylko kiedy oddziałują zmaterią detektora (stąd neutrina prawie niewidzialne) Oddziaływania o których myślimy odbywają się ę zawsze poprzez p oddanie energii medium detektora Przeglądniemy te zjawiska Maj 2007 ZH 11/41

12 Użyteczne oddziaływania z materią Oddziałując z detektorem cząstka powinna pozostać pod każdym względem nienaruszona - z ważnymi wyjątkami o czym później Czyli oddziaływania ł i miękkie - elektromagnetyczne Maj 2007 ZH 12/41

13 1/ Jonizacja - obrazkowo Realizacja w komorze mgłowej Maj 2007 ZH 13/41

14 1a/ Jonizacja - słownie Naładowana cząstka przechodząc przez materię traci pewną ilość energii na jednostkę drogi np. M.I.P (Minimum Ionising Particle = cząstka o minimum jonizacji - pion o energii 0.5 GeV wyprodukuje w gazie detektora 70 e/cm). Wielkość jonizacji jest funkcją składu medium, jego gęstości a także prędkości cząstek. Maj 2007 ZH 14/41

15 1c/ Jonizacja straty de/dx ilościowo Rozproszenie nierelatywistyczne i t rutherfordowskie Formuła Bethe-Bloch de dx = NZ 8πε 2 4 Z e 2m r v0 ln mev0 i= Z ' mei i Maj 2007 ZH 15/41

16 1b/ Jonizacja zjawiska relatywistyczne Pojęcie cząstek MIP minimalnie jonizujących Efekt gęstości Maj 2007 ZH 16/41

17 Jonizacja ++ Fluktuacje w de/dx (δ-elektrony) Maj 2007 ZH 17/41

18 Jonizacja - Elektrony Trochę ę inaczej bo lekkie (e+/e-) Znacznie wcześniej min jonizacji Promieniowanie hamowania (dotyczy też innych naładowanych ale przy znacznie wyższych energiach) Maj 2007 ZH 18/41

19 A foton? Neutralny aby go zobaczyć ć musi się zmienić w naładowaną Fotoefekt Einstein + Planck Rozpraszanie comptonowskie Kreacja par Maj 2007 ZH 19/41

20 Oddziaływania fotonów Potem Maj 2007 ZH 20/41

21 Detektory oparte na jonizacji Podział wg materiału ł w którym następuje jonizacja Gaz Ciało stałe (półprzewodnik) Materiały: Multi Wire Proportional Chambers MWPC Time Projection Chambers Time Krzem, Expansion Chambers Proportional German, Chambers Thin Gap Chambers Drift Chambers Węgiel (diament), Jet Chambers Arsenek Galu Straw Tubes Micro Technologia: Well Chambers Cathode Strip Chambers Paskowe Resistive Plate Chambers Micro Mozaikowe Strip Gas Chambers GEM - Gas Electron Multiplier Micromegas Dryfowe Micromesh Gaseous Structure Maj 2007 ZH 21/41

22 Detektory oparte na jonizacji + Wg ról detektora Pomiar śladów Wszystkie! Identyfikacja Tam gdzie wielokrotny pomiar de/dx! (zarówno w gazie jak i ciele stałym) Maj 2007 ZH 22/41

23 Jak używamy jonizacji? Detektory mierzące ślady gazowe Wzmocnienie gazowe MWPC G. Charpak nagroda Nobla 1992 Maj 2007 ZH 23/41

24 Komory dryfowe scintillator DELAY Stop TDC Start drift anode low field region high field region drift gas amplification Maj 2007 ZH 24/41

25 p, q, β Jak używamy jonizacji? - 2 Detektory mierzące ślady d ciało ł stałe ł Różne konfiguracje Maj 2007 ZH 25/41

26 Pomiar śladu - mozaika Możliwe miliony sensorów Maj 2007 ZH 26/41

27 Inne zjawiska fizyczne - CzR 1 Promieniowanie czerenkowskie Detektory Pogo Progowe Obrazujące Maj 2007 ZH 27/41

28 Inne zjawiska fizyczne CzR 2 Pomiar prędkości cząstki jest możliwy poprzez pomiar kąta promieniowania czerenkowskiego. Promieniowanie wyemitowane przez hamującą cząstke (strat energii!) jest spójne i emitowane pod charakterystycznym kątem. Maj 2007 ZH 28/41

29 Inne zjawiska fizyczne - 2 Promieniowanie przejścia TR Tylko wysoko energetyczne e+/- emitują TR o wystarczającej intensywności Maj 2007 ZH 29/41

30 TR promieniowanie przejścia simulated B d0 J/ψ K s 0 Detection q, γ Maj 2007 ZH 30/41 M L C t l Ph R 10(1974)3594

31 Inne zjawiska fizyczne - 3 Scyntylacje (tu w krysztale) Ale też organiczne (stałe i ciekłe) Maj 2007 ZH 31/41

32 Scyntylacje - pomiar światła Anode Photo Cathode Dynodes Systemy wyzwalania Kalorymetria Pomiar śladu Maj 2007 ZH 32/41

33 Pomiar śladu Pomiary wtórnych wierzchołków oddziaływania Pomiary topologii Pomiar pędu (+magnesy) Maj 2007 ZH 33/41

34 Pomiar pędu Pomiar śladu d oraz system magnesów Dla stałej tarczy dipole Dla zderzaczy - Maj 2007 ZH 34/41

35 Pomiar energii - 1 Całkowite zniszczenie cząstki i absorpcja jej energii (+pomiar topologii) Poprzez oddziaływanie z materiałem detektora kalorymetru Hadronowe (kaskady ; oddziaływania jądrowe) Elektromagnetyczne (kaskady; elektrony, fotony) Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA Maj 2007 ZH 35/41

36 Kalorymetry - przykład Próbkujące konwerter + pomiar jonizacji Jednorodne (kryształy) Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA Maj 2007 ZH 36/41

37 Identyfikacja cząstek - 1 Pomiar pędu + pomiar prędkości ->> możemy zmierzyć masę TOF czas przelotu Promieniowanie przejścia (elektron-hadron) Pośrednio wygląd kaskady (shower) Ze śladem lub bez w trakerze (e/γ) Pomiar jonizacji (de/dx) Maj 2007 ZH 37/41

38 Identyfikacja cząstek - 2 TOF czas przelotu (pomiar pędu konieczny) Maj 2007 ZH 38/41

39 Identyfikacja cząstek - 2 Pomiar jonizacji (de/dx) W gazie (TPC) W ciele stałym (detektorach Si) Maj 2007 ZH 39/41

40 Główne wyzwania Śmiertelne promieniowanie Ogromne częstości zdarzeń i wielka krotność cząstek w zdarzeniu Jakość produkcji przy unikalnym wytwarzaniu (wymagania kosmiczne) brak możliwości serwisu Miniaturyzacja wielka gęstość elementów czynnych chłodzenie i zasilanie Maj 2007 ZH 40/41

41 Podsumowanie Bardzo pobieżne i płytkie spojrzenie na dziedzinę fizyki która raz na -naście lat przynosi nagrodę Nobla Rozwój i postęp możliwy dzięki rozwojowi elektroniki Trudne zadanie dla młodzieży dziś projekt trwa naście lat (zaczęliśmy w końcu lat 80- tych) i kontynuuje drugie tyle Maj 2007 ZH 41/41

42 Różne konfiguracje Maj 2007 ZH 42/41

43 Prehistoria cd Figure 1 P F B M S D R C T L Scyntylacje depozyt energii -> światło Jonizacja Maj 2007 ZH 43/41

44 Maj 2007 ZH 44/41

45 Jak używamy jonizacji? - 1 I. Stwierdzić że była! II. Zmierzyć jej wielkość VOLTS Maj 2007 ZH 45/41