Egzaminy. Egzamin testowy: oko!o 50 pyta" z 4 odpowiedziami do wyboru oraz kilkana#cie pyta" otwartych. Termin: 25 czerwca 2010, 10:00 13:00 Nowa Aula

Transkrypt

1 Egzaminy Egzamin testowy: oko!o 50 pyta" z 4 odpowiedziami do wyboru oraz kilkana#cie pyta" otwartych Termin: 25 czerwca 2010, 10:00 13:00 Nowa Aula Po pisemnym b$d% zaproponowane oceny, które w wi$kszo#ci przypadków b$dzie mo&na poprawia' na ustnym dn 28 czerwca 2010 D. Kie!czewska wyk!ad 2 1

2 Detektory cz%stek!! Przekrój czynny!! Procesy u&yteczne do rejestracji cz%stek!! Techniki detekcyjne!! Detektory!! Przyk!ady u&ycia ró&nych technik detekcyjnych Eksperymenty D. Kie!czewska, wyk!ad 3 2

3 Przekrój czynny Przekrój czynny! jest miar% prawdopodobie"stwa oddzia!ywania. efektywna powierzchnia padaj%cej cz%stki [! ] = m 2 i centrum rozpraszaj%cego. We(my grubo#' tarczy dx tak, &eby centra nie przekrywa!y si$. Wtedy prawdop. oddz.: gdzie N liczba cz%stek padaj%cych # "! dn po wszystkich N = centrach = " $ n $ A $ dx -dn liczba cz%stek oddzia!uj%cych A powierzchnia obszaru oddz. A A n - koncentracja centrów na jednostk$ obj$to#ci Dla sko"czonej grubo#ci tarczy L dostajemy po wyca!kowaniu po dx: a)!liczba cz%stek, które nie oddzia!a!y N = N 0 e!n" L b)!liczba oddzia!ywa": N oddz = N 0 ( 1! e!n" L )

4 Przekrój czynny c.d. Praktyczna jednostka: )rednia droga na oddzia!ywanie:! " x = 1 barn =10!28 m 2 % & 0 % & 0 xe #n$ x dx e #n$ x dx = 1 n$ d! de Ró&niczkowe przekroje czynne: Rozk!ady energii cz%stki wtórnej Rozk!ady k%ta emisji cz%stki wtórnej

5 Przechodzenie cz%stek na!adowanych przez materi$ Cz%stka na!adowana: "! w wyniku zderze" z elektronami traci energi$ na jonizacj$ "! w polu kulombowskim j!dra:!! traci energi$ na emisj$ gamm!! zmienia kierunek "! wzbudza atomy scyntylacje promieniowanie hamowania wielokrotne rozpraszanie kulombowskie promieniowanie Czerenkowa D. Kie!czewska, wyk!ad 3 5

6 Wzór Bethego-Blocha straty radiacyjne Pr$dko#' cz%stki: Nie ma zale&no#ci od masy cz%stki! " #c Minimalne straty energii: D. Kie!czewska, wyk!ad 3 6

7 Cz%stka w polu kulombowskim j%dra Wielokrotne rozpraszanie kulombowskie )redni k%t odchylenia cz%stki: gdzie v i p to pr$dko#' i p$d cz%stki to d!ugo#' radiacyjna 1! = 4 X 0 " #! = 1 137! $ mc % & 2! Z(Z +1)' 3 nln 183 $ # & " % Z 1 3 Promieniowanie hamowania (bremsstrahlung) Na skutek emisji fotonu cz%stka traci energi$ (straty radiacyjne): Straty radiacyjne proporcjonalne do: czyli wa&ne! dla elektronów, mionów! du&ych energii Powy&ej energii krytycznej E c straty radiacyjne przewy&szaj% straty na jonizacj$. D. Kie!czewska, wyk!ad 3 7

8 Straty energii elektronów Energia krytyczna: Dla elektronów: Dla cz%stek o masie m: np. dla mionów: D. Kie!czewska, wyk!ad 3 8 por. slajd 3

9 Emisja #wiat!a w wyniku wzbudze" Scyntylacje: atomów W niektórych materia!ach zwanych scyntylatorami deekscytacja atomów prowadzi do emisji #wiat!a widzialnego,!atwego do detekcji. Np. w cienkim liczniku - krótki puls #wiat!a po przej#ciu cz%stki Emisja izotropowa, niezale&na od kierunku cz%stki Liczniki do pomiaru czasu rozdzielczo#ci czasowe < 0.5 ns Promieniowanie Czerenkowa: Koherentna emisja #wiat!a wywo!ana na!adowan% cz%stk% o pr$dko#ci wi$kszej ni& pr$dko#' #wiat!a w danym o#rodku Emisja kierunkowa D. Kie!czewska, wyk!ad 3 9

10 Promieniowanie Czerenkowa! Liczba fotonów: n wspó!czynnik za!amania np. w wodzie n=1.33 Praktycznie dla relat. cz%stki k%t sta!y pier#cienie Czerenkowa Detektory Czerenkowa sygnalizuj% cz%stki które przekraczaj% charakterystyczny dla nich próg pr$dko#ci (p$du). Umo&liwiaj% te& pomiar kierunku cz%stki. Dla relat. cz%stek sta!a liczba fotonów na jednostk$ d!ugo#ci toru (dla wody ok. 200 fot/cm D. Kie!czewska, wyk!ad 3 10

11 Poch!anianie kwantów gamma Efekt fotoelektryczny Dla energii > 100 MeV sta!a d!ugo#' konwersji d!ugo#' radiacyjna Kreacja par Rozpraszanie Comptona: D. Kie!czewska, wyk!ad 3 11

12 Pomiar p$du cz%stek Na!adowana cz%stka w polu magnetycznym: Je#li jednocze#nie zmierzymy: to ze wzoru Bethego-Blocha mo&emy ustali' pr$dko#' cz%stki a w konsekwencji jej mas$ czyli mo&emy j% zidentyfikowa'. D. Kie!czewska, wyk!ad 3 12

13 Identyfikacja cz%stek Pomiary w komorze TPC (time projection chamber) D. Kie!czewska, wyk!ad 3 13

14 Magnesy nadprzewodz%ce w detektorach (solenoidy) Eksperyment Pole mgt )rednica D!ugo#' Energia {Lab} (T) (m) (m) (MJ) CDF {Fermilab} DØ {Fermilab} BaBar {SLAC} ATLAS {CERN} CMS {CERN} D. Kie!czewska, wyk!ad 3 14

15 Detektory Zadania detektorów:!! zmierzy' po!o&enie (tor) cz%stki!! zmierzy' czas!! zidentyfikowa' cz%stki!! zmierzy' p$dy!! zmierzy' energie Nie da si$ tego zrobi' optymalnie w jednym typie detektora detektory wielowarstwowe D. Kie!czewska, wyk!ad 3 15

16 Typowe w!asno#ci ró&nych detektorów Typ detektora Zdolno#' Zdolno#' Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja j%drowa 1 µm Komora p$cherzykowa µm 1 µs 50 µs Kom. strymerowa (#RPC) 300 µm 2 µs (<0.5ns) 100 µs Komora proporcjonalna µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns Komora dryfowa µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~ µm ~200 ns ~2 µs Paski silikonowe <25 µm ograniczone przez elektronik! D. Kie!czewska, wyk!ad 3 16

17 Typowe w!asno#ci ró&nych detektorów Typ detektora Zdolno#' Zdolno#' Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja j%drowa 1 µm Najlepsza przestrzenna zdolno#' rozdzielcza - ale bardzo powolny przegl%d pod mikroskopem Stosowana wyj%tkowo D. Kie!czewska, wyk!ad 3 17

18 Typowe w!asno#ci ró&nych detektorów Typ detektora Zdolno#' Zdolno#' Czas przestrz. czasowa martwy Komora proporcjonalna µm 2 ns 200 ns Wielodrutowe komory proporcjonalne: p!aszczyzny drutów anodowych w odl. 2mm wzmocnienie gazowe! 10 5 Kosztowne (kana!y elektron. do ka&dego drutu) zosta!y zast%pione przez komory dryfowe. D. Kie!czewska, wyk!ad 3 18

19 Typowe w!asno#ci ró&nych detektorów Typ detektora Zdolno#' Zdolno#' Czas przestrz. czasowa martwy Komora dryfowa µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~ µm ~200 ns ~2 s Przy dobrej czysto#ci gazu elektrony jonizacji mog% dryfowa' w polu elektrycznym do drutu anody na odleg!. do kilku metrów. Dryfuj% ze sta!% pr$dko#ci% i st%d czas ich przybycia mierzy odleg!o#' punktu od anody. W gazowych komorach typowe pr$dko#ci dryfu to: Ciek!y argon LAr u&ywany jest w komorach TPC z 3 wymiarow% rekonstrukcj% - patrz dalej... D. Kie!czewska, wyk!ad 3 19

20 Typowe w!asno#ci ró&nych detektorów Typ detektora Zdolno#' Zdolno#' Czas przestrz. czasowa martwy Scyntylator 100 ps 10 ns! Np. kryszta!y NaI, lub organiczne ciecze lub p!ytki plastykowe! Swiat!o za pomoc% #wiat!owodów do fotopowielaczy! W typowym scyntylatorze fotonów na 1 cm toru na!adowanej cz%stki.! Z powodu znakomitej czasowej zdolno#ci rozdzielczej stosowane do trygerowania lub pomiarów czasu przelotu (TOF). Mo&na pokaza', &e 2 cz%stki o tym samym p$dzie p i masach m 1 i m 2 pokonaj% odleg!o#' L z ró&nic% czasu: Czyli przy rozdzielczo#ci czasowej 100 ps rozró&nimy piony i kaony o p$dach do 3GeV/c je#li odl. >2.4m D. Kie!czewska, wyk!ad 3 20

21 Typowe w!asno#ci ró&nych detektorów Typ detektora Zdolno#' Zdolno#' Czas przestrz. czasowa martwy Paski silikonowe <10 µm ograniczone przez elektronik! W mikro-paskach pó!przewodnikowych cz%stka na!adowana produkuje pary elektron dziura, które w polu elektr. zbierane s% na elektrodach. Znakomita przestrzenna rozdzielczo#' wykorzystywana jest w detektorach wierzcho!ka. D. Kie!czewska, wyk!ad 3 21

22 Kalorymetry u&ywane do pomiarów energii. W kalorymetrach jest materia! o krótkiej drodze na oddzia!ywania, co powoduje powstawanie kaskad cz%stek. Sygna! pochodzi z jonizacji przez cz%stki wtórne. Na ogó! uzywane s% oddzielne kalorymetry:! elektro-magnetyczne! hadronowe D. Kie!czewska, wyk!ad 3 22

23 Kaskady elektromagnetyczne prosty model kaskady Po odleg!o#ci równej kilku drogom radiacyjnym X 0 kaskada zamiera Kalorymetry elektromagnetyczne budowane s% z materia!ów o ma!ej d!ugo#ci radiacyjnej t= drogi radiacyjne X 0 Pb Fe X 0 (cm) D. Kie!czewska, wyk!ad 3 23

24 Kaskady elektromagnetyczne Kalorymetry elektromagnetyczne mog% zmierzy' energi$ pocz%tkowego elektronu lub kwantu gamma!":! E pocz =! i E i gdzie suma po wszystkich wtórnych elektronach D. Kie!czewska, wyk!ad 3 24

25 Kalorymetry hadronowe p Na ogó! gubimy energi$ unoszon% przez neutrony. Czasem dodawany jest uran, z którym neutrony wywo!uj% rozszczepienie i cz$#c energii jest odzykana ( kalorymetry kompensuj%ce ) Rozmiar jest podyktowany #redni% drog% na oddzia!ywanie:! D. Kie!czewska, wyk!ad 3 25

26 Kalorymetry Kalorymetr jednorodny ca!y obszar jest aktywny. Zwykle jest to materia! o ma!ej g$sto#ci i musi by' odpowiednio du&y. Kalorymetr próbkuj%cy - gorszy pomiar, ale mniejszy i ta"szy. Np. warstwy o!owiu i scyntylatora D. Kie!czewska, wyk!ad 3 26

27 Detektory warstwowe paski Si komora dryf. Kalorymetry elmgt s% mniejsze ni& hadronowe bo: D. Kie!czewska, wyk!ad 3 27

28 !! Przyk!ady u&ycia ró&nych technik detekcyjnych Eksperymenty D. Kie!czewska, wyk!ad 3 28

29 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 29

30 Zadanie P4 na II Pracowni: Badanie rozpadów Z 0 w eksperymencie Delphi D. Kie!czewska, wyk!ad 3 30

31 Detektor CDF w Fermilabie D. Kie!czewska, wyk!ad 3 31

32 Odkrycie kwarka top w detektorze D0 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 32

33 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 33

34 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 34

35 Detektor ATLAS w LHC D. Kie!czewska, wyk!ad 3 35

36 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 36

37 CMS (Compact Muon Solenoid) D. Kie!czewska, wyk!ad 3 37

38 CMS detektor wierzcho!ka D. Kie!czewska, wyk!ad 3 38

39 SOLENOIDALNA CEWKA CMS D. Kie!czewska, wyk!ad 3 39

40 SOLENOIDALNA CEWKA CMS D. Kie!czewska, wyk!ad 3 40

41 Kalorymetr hadronowy - CMS D. Kie!czewska, wyk!ad 3 41

42 End cap detektora CMS D. Kie!czewska, wyk!ad 3 42

43 Wielkie detektory Czerenkowa D. Kie!czewska, wyk!ad 3 43

44 Detektor Super-Kamiokande Wodny detektor wykorzystuj%cy zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys fotopowielaczy (PMT) o #rednicy 50 cm D. Kie!czewska, wyk!ad 3 44

45 Super-Kamiokande po odbudowie 2005/2006 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 45

46 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 46

47 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 47 copyright: Pawe! Przew!ocki

48 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 48

49 Rozpad protonu w SK p! e + + " 0 tylko symulacja! D. Kie!czewska, wyk!ad 3 49

50 Zatrzymuj%cy si$ mion w Super-Kamiokande Ka&dy punkt to jeden PMT Kolory czas trafienia PMT poprawiony na czas przelotu z wierzcho!ka Energia obliczana z sumy foto-elektronów zarejestrowanych we wszystkich PMT! µ + N 1 " µ # + N 2 µ # " e # +!! e +! µ Oddz. neutrino bo brak sygna!u w detektorze zewn$trznym Czerwony pier#cie" od elektronu z rozpadu mionu D. Kie!czewska, wyk!ad 3 50

51 Identyfikacja cz%stek elektrony, kwanty gamma: Rozmyty pier#cie" bo elektrony z kaskady elmgt ulegaj% wielokrotnemu rozpraszaniu kulomb. miony, piony, protony: N 2 najcz$#ciej poni&ej progu Cherenkowa D. Kie!czewska, wyk!ad 3 51

52 SNO (Sudbury Neutrino Observatory) Detektor Czerenkowa wype!niony ci$&k% wod% "!1000 ton D 2 O "!2 km pod ziemi% (Kanada) "! PMTs "!6500 ton H 2 O D. Kie!czewska, wyk!ad 3 52

53 SNO D. Kie!czewska, wyk!ad 3 53

54 Detektor OPERA Warstwy emulsji u&yte do precyzyjnej rekonstrukcji oddzia!ywa" W sumie ok 40 ton emulsji Neutrina z CERNu do Gran Sasso (730km). "! 1 mm Plastic base #! zasi$g # >100µm Pb 200 tys cegie!ek: Emulsion layers 56 emulsion films / brick! D. Kie!czewska, wyk!ad 3 54

55 Detektory TPC (Time Projection Chamber) - detektory projekcji czasowej - czyli komory dryfowe z 3-wymiarow% rekonstrukcj% D. Kie!czewska, wyk!ad 3 55

56 Electric Field Ionizing Track Drifting e - in LAr PMT UV Light Detektor ICARUS Detektor typu TPC z ciek!ym argonem. E 1 d d E 2 E 3 Collection Plane Screen Grid wire pitch Induction Plane Amplifier Charge Light T 0 Induction wire Signal (schematic) Waveform T drift T peak PMT Signal time D. Kie!czewska, wyk!ad 3 56

57 Detektor ICARUS W laboratorium podziemnym Gran Sasso! Zbiornik wype!niony 300 tonami ciek!ego argonu (LAr).! Elektrony dryfuj% do 1.5 m!pole elektryczne 500V/cm! odleg!o#' mi$dzy drutami 3mm D. Kie!czewska, wyk!ad 3 57

58 ICARUS wyniki testu na powierzchni ziemi K+! µ+! e+! D. Kie!czewska, wyk!ad 3 58

59 Gazowy detektor TPC (Na61) D. Kie!czewska, wyk!ad 3 59

60 Gazowy detektor TPC D. Kie!czewska, wyk!ad 3 60