Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Transkrypt

1 Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek Wykład Ogólnouniwersytecki Wydział Fizyki U.W. prof. A.F.Żarnecki Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych, Instytut Fizyki Doświadczalnej A.F.Żarnecki U.W. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.1/38

2 Wprowadzenie Istota obserwacji w świecie czastek Podstawowe procesy fizyczna - jonizacja - efekt fotoelektryczny - scyntylacja - promieniowanie Czerenkowa Metody detekcji czastek - detektory śladowe - kalorymetry Współczesne eksperymenty A.F.Żarnecki U.W. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.2/38

3 Istota obserwacji W świecie makroskopowym możliwa jest obserwacja nie zakłócajaca obserwowanego procesu Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.3/38

4 Istota obserwacji Czastek nie możemy "zobaczyć" nie zakłócajac ich stanu. W świecie czastek każdy pomiar wiaże się z jakimś oddziaływaniem. Obserwujemy nie czastki, ale (efekty) ich oddziaływania z materia. Nie można zaobserwować czastki, która nie oddziałuje! Podstawowe procesy wykorzystywane do detekcji czastek: jonizacja i scyntylacja efekt fotoelektryczny promieniowanie Czerenkowa Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.4/38

5 Struktura materii Atom wodoru: opis klasyczny Stan podstawowy (n=1) Każdy atom składa się z ja- dra atomowego, w przypadku wodoru jest to pojedynczy proton, i elektronów rozmieszczonych na powłokach. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.5/38

6 Struktura materii Atom wodoru: opis klasyczny Stan wzbudzony (n=2) W stanie podstawowym atomu elektrony wypełniaja najniższe dostępne powłoki. Wzbudzenie atomu polega na przeniesienie elektronu na wyższa powłokę. Wymaga dostarczenia energii... Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.5/38

7 Struktura materii Atom wodoru: opis klasyczny Stan podstawowy (n=1) Opis kwantowy Stan 1s Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.5/38

8 Struktura materii Atom wodoru: opis klasyczny Stan wzbudzony (n=2) Opis kwantowy Stan 2s Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.5/38

9 Struktura materii Atom wodoru: opis klasyczny Stan wzbudzony (n=3) Opis kwantowy Stan 3s Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.5/38

10 Struktura materii Atom wodoru: opis klasyczny Stan wzbudzony (n=3) Opis kwantowy Stan 3d1 Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.5/38

11 Struktura materii Własności różnych substancji zależa od tego jak silnie zwiazane sa najbardziej zewnętrzne elektrony (walencyjne) Izolator Wszystkie elektrony silnie zwiazane z atomami Przewodnik Elektrony walencyjne sa uwspólnione, moga swobodnie się przemieszczać Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.6/38

12 Jonizacja U podstaw działania przeważajacej większości detektorów czastek elementarnych leży zjawisko jonizacji: Czastka naładowana przechodzac przez ośrodek oddziałuje Kulombowsko z elektronami i oddaje im część swojej energii wybijajac je z atomów. Pojawiaja się swobodne nośniki ładnuku Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.7/38

13 Emulsja fotograficzna H. Becquerel, 1896 wzbudzone atomy reakcja chemiczna M.Danysz i J.Pniewski, 1953 Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.8/38

14 Eksperyment Opera Opera Emulsja fotograficzna wciaż w użyciu... Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.9/38

15 Emulsja fotograficzna eksperyment OPERA Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.10/38

16 Komora Wilsona Charles Wilson, 1911 jonizacja jony kondensacja pary ślad w postaci mgły Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.11/38

17 Komora Wilsona Carl Anderson, 1932 Charles Wilson, 1911 odkrycie pozytonu Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.12/38

18 Komora pęcherzykowa, 1952 jonizacja wrzenie przegrzanej cieczy Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.13/38

19 Komora pęcherzykowa Ciecz pełni też rolę tarczy, z która oddziaływuja czastki wiazki Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.14/38

20 Pomiar jonizacji Jonizacja ośrodka oznacza powstanie w nim swobodnych ładunków: możliwy jest przepływ pradu. w gazie w półprzewodniku Przepływajacy ładunek jest na ogół bardzo mały, ale czuła elektronika pozwala go wzmocnić i zmierzyć. Na tej zasadzie opiera się większość współczesnych detektorów. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.15/38

21 Licznik Geigera-Müllera Przykładajac odpowiednio wysokie napięcie powodujemy, że powstałe w wyniku jonizacji elektrony zderzajac się z atomami wybijaja kolejne elektrony - powielanie ładunku. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.16/38

22 Komora iskrowa Jonizacja powoduje przeskok iskry pomiędzy elektrodami Możliwość wyboru zdarzeń (sterowanie napięciem) Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.17/38

23 Komora wielodrutowa Georges Charpak 1970 (Nobel 1992) Tanie! Odczyt w pełni elektroniczny! elektronika+komputer rewolucja Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.18/38

24 TPC Komora projekcji czasowej Przypadek zderzenia ciężkich jonów detektor STAR przy RHIC Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.19/38

25 Detektory półprzewodnikowe Bardzo różne technologie, m.in. CCD (używane w fotografii cyfrowej) Każdy aparat cyfrowy jest detektorem czastek! Zdjęcie z kamery astronomicznej. Wycinek: To nie UFO. To ślad czastki... Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.20/38

26 Detektory półprzewodnikowe Coraz powszechniej używane. Element detektora krzemowego Bardzo precyzyjny pomiar pozycji cz astek (rzędu µm) Mierzone punkty przejścia wiazki czastek przez pięć warstw detektora testowego: Mierzac pozycje w wielu warstwach możemy zrekonstruować tor. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.21/38

27 Scyntylacja W wyniku przejścia czastki naładowanej elektron może być wyrwany z atomu, lub przeniesiony na wyższa powłokę (wzbudzenie atomu). Fotony Także fotony moga oddziaływać z elektronami w atomie. Przekazuja im cała swoja energię (efekt fotoelektryczny) lub tylko część (rozpraszanie Comptona). Powrotowi atomu do stanu podstawowego może towarzyszyć wyświecanie fotonów: scyntylacja W obu przypadkach elektron może zostać wyrwany z atomu. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.22/38

28 Scyntylacja W szeregu materiałów atomy wzbudzone na skutek jonizacji emituja fotony światła Błysk światła w scyntylatorze możemy rejestrować przy pomocy fotopowielacza Brak pomiaru pozycji Bardzo dobry pomiar czasu przejścia czastki Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.23/38

29 Fotopowielacz Aby móc zmierzyć pojedynczy foton musimy wzmocnić pojawiajacy się ładunek. Na kolejnych elektrodach (tzw. dynodach) każdy elektron wybija kilka elektronów wtórnych - powstaje lawina Jeden foton, jeśli tylko uda mu się wybić pierwszy elektron (efekt fotoelektryczny) powoduje przepływ makroskopowego pradu. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.24/38

30 Detektory scyntylacyjne Tradycyjne liczniki scyntylacyjne coraz rzadziej używane. Nowe koncepcje: włókna scyntylujace, fotopowielacze krzemowe. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.25/38

31 Promieniowanie Czerenkowa Emitowane przez czastkę poruszajac a się w ośrodku z prędkościa większa niż prędkość światła w tym ośrodku. Światło emitowane na pewnym odcinku widoczne jest w postaci charakterystycznych pierścieni Zachodzi w wodzie, lodzie, powietrzu... Tania technologia dla dużych detektorów! Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.26/38

32 Promieniowanie Czerenkowa Jeśli droga czastki przez ośrodek jest dluższa, możemy zastosować specjalne zwierciadła, żeby skupić emitowane światło Schemat Obraz w detektorze Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.27/38

33 Promieniowanie Czerenkowa Jeśli droga czastki przez ośrodek jest dluższa, możemy zastosować specjalne zwierciadła, żeby skupić emitowane światło Schemat Obraz w detektorze Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.27/38

34 Współczesne eksperymenty Super-Kamiokande eksperyment neutrinowy Japonia, w starej kopalni, 1 km pod góra Kamioka, komora o wysokości 40 m i średnicy 40 m, wypełniona woda fotopowielaczy (50 cm średnicy!) rejestruje przechodzace czastki rejestrowane jest promieniowanie Czerenkowa Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.28/38

35 Współczesne eksperymenty Super-Kamiokande Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.29/38

36 Super-Kamiokande Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.30/38

37 Współczesne eksperymenty Super-Kamiokande Przykłady obserwowanych oddziaływań neutrin. Neutrino elektronowe Przypadek ν e n e p Krótki zasięg elektronu cienki pierścień Neutrino mionowe Przypadek ν µ n µ p Długa droga mionu w wodzie gruby pierścień. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.31/38

38 Współczesne eksperymenty Obserwatorium Pierre Auger Obserwacja wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego. Scyntylacja w powietrzu. Promieniowanie Czerenkowa w detektorach na powierzchni. Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.32/38

39 Współczesne eksperymenty Obserwatorium Pierre Auger Detektor powierzchniowy Mapa obserwatorium: 4 stacje po 6 teleskopów obserwujacych świecenie w atmosferze (UV) 1600 detektorów powierzchniowych rozstawionych na 3000 km 2!!! Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.33/38

40 Współczesne eksperymenty Obserwatorium Pierre Auger Schemat obserwacji "pęku atmosferycznego": 4 "zdjęcia" z teleskopów + "ślad" na powierzchni Na podstawie pomiaru pęku czastek wtórnych wnioskujemy o energii czastki pierwotnej Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.34/38

41 Kalorymetry Wszystkie przedstawione do tej pory detektory rejestrowały przejście czastki, ślad czastki w materii detektory śladowe. Aby zmierzyć energię czastki musimy sprawić, aby w wyniku wielokrotnych oddziaływań "oddała ja" w całości detektorowi. Kalorymetr elektromagnetyczny Wysokoenergetyczne elektrony traca energię prawie wyłacznie na promieniowanie hamowania e γ Wysokoenergetyczne fotony ulegaja konwersji na pary e + e e+ γ e Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.35/38

42 Kalorymetry Wysokoenergetyczny elektron lub foton wpadajac do detektora wywołuje kaskadę składajac a się z N E czastek Mierzac liczbę czastek lub całkowita długość torów (całkowita jonizację) możemy dokładnie określić energię czastki poczatkowej Kalorymetr jednorodny Kalorymetr próbkujacy np. blok scyntylatora warstwy detektora na przemian z gęstym absorberem Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.36/38

43 Kalorymetry Symulacja rozwoju kaskady hadronowej (pomiar energii protonu) Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.37/38

44 Detektor przy LHC Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.38/38

45 Detektor przy LHC Wszechświat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2012 p.38/38