Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW Jak badamy cząstki elementarne? 2010/11(z) Ewolucja Wszech'swiata czas,energia,temperatura Detekcja cząstek Współczesne eksperymenty
Jak badamy cząstki elementarne? Przygladamy się: źródło światła obiekt detektor Cząstek elem. nie można zwyczajnie zobaczyć, bo światło widzialne jest za grube długo ść fali λ~300-600 nm rozmiar atomu ~0.1 nm Musimy szukać innych metod, innych promieni...
np. odkrycie jądra atomowegobombardowanie cza,stkami alfa folii złotej, czyli atomów złota
Jak badamy.. Rozbijamy: zderzając cząstkę z cząstką i badamy produkty zderzenia
Jak badamy... Podgrzewamy.. dostarczamy dużej energii do układu wielu cząstek (np. w wyniku zderzenia)
Posumowując: cząstki elementarne badamy: Przyglądamy się im... źródło światła obiekt detektor Rozbijamy je... zderzając cząstki ze sobą i badamy produkty zderzenia Podgrzewamy... Dostarczamy dużej energii do układu wielu cząstek (np. w wyniku zderzenia) i badamy jakie cząstki powstaną na końcu
Jak małe odległości możemy badać? Zdolność rozdzielcza promieni o energii E Δx ~ λ = hc/e h stała Plancka, h=6.626 * 10-34 -Js c prędkość światła, Aby badać materię na poziomie cząstek musimy używać fotonów (lub innych cząstek) o wysokich energiach... λ dł. fali Energia odpowiadająca temperaturze E = k T k stała Boltzmana k=1.4*10-23 J/K Skale rozdzielczości, energii i temperatury można przeliczać: np energia- rozdzielczość: 1 ev ~ 1 μm energia - temperatura: 1 ev ~ 10 4 K
Zdarzenia Nasze urządzenia pomiarowe są makroskopowe - musimy więc z obserwacji makroskopowych wydobywać informacje co się dzieje w mikroświecie. W doświadczeniach z cząstkami el. mamy do czynienia ze zdarzeniami (przypadkami) - nie możemy przewidzieć ani kontrolować pojedynczych zderzeń cząstek, ale w opisie kwantowym mamy precyzyjny opis średnich wielkości. Musimy mieć dużą liczbę (statystykę) zdarzeń (czasami miliony, a nawet setki milionów przypadków), aby móc badać i opisywać zachowanie cząstek.
Detekcja cząstek 1/Istota obserwacji w świecie cząstek elementarnych 2/Podstawowe procesy fizyczne wykorzystywane w detekcji czastek elementranych 3/Metody detekcji cząstek - detektory śladowe - kalorymetry
Obserwacja w makroświecie nie zakłóca obserwowanego obiektu lub procesu Obserwacja cząstek elem. Cząstek elementarnych nie można "zobaczyć" nie zakłócając ich stanu - każdy pomiar wiąże się z jakimś oddziaływaniem. Obserwujemy nie same cząstki, ale (efekty) ich oddziaływania
Detekcja czastek: podstawowe procesy fizyczne Podstawowe procesy fizyczne wykorzystywane do detekcji cząstek to: jonizacja i scyntylacja efekt fotoelektryczny promieniowanie Czerenkowa http://hep.fuw.edu.pl/zciof/ii_pracownia/p3/html/index/23%20detekcja.htm
Jonizacja Cząstka naładowana przechodząc przez ośrodek oddziałuje z elektronami dostarczając im energii. Energia może być wystarczająca, aby oderwać elektrony od jądra atomowego - powstają wtedy dodatnio naładowane jony i swobodne elektrony.
Scyntylacja Atom może zostać wzbudzony przez cząstkę naładowaną (elektrony przechodzą na wyższe orbity). Powrót do stanu podstawowego emisja światła (fotonów)
Zjawisko fotoelektryczne i rozpraszanie Comptona Wyrwanie elektronu z atomu może być spowodowane przez foton w wyniku zjawiska fotoelektrycznego (foton przekazuje całą energię elektronowi) lub w rozpraszaniu Comptona (foton przekazuje część swojej energii)
Jony i co dalej? Wzdłuż toru cząstki powstają jony, a dalej zadanie dla detektora, takiego jak - emulsja fotograficzna: proces chemiczny - komora mgl'owa (Wilsona) przesycona para wodna i jej skraplanie - komora pęcherzykowa: jony przegrzana ciecz i jej wrzenie (pęcherzyki gazu)
Detekcja czastek Emulsja fotograficzna H. Becquerel, 1896 wzbudzone atomy reakcja chemiczna M.Danysz i J.Pniewski, 1953 A.F.Ż
Detekcja czastek Komora Wilsona Charles Wilson, 1911 jony kondensacja pary
Detekcja czastek Komora Wilsona Carl Anderson, 1932 Charles Wilson, 1911 odkrycie pozytonu
Detekcja czastek Komora pęcherzykowa, 1952 jony wrzenie cieczy A.F.Ż
Zdjęcie z komory pęcherzykowej.. antyproton wlatujący z dolnej części zdjęcia do góry zderza się z protonem będącym w spoczynku, po czym ulegają anihilacji. W wyniku tego procesu powstało osiem pionów, z czego jeden rozpadł się na mion(+) i neutrino ionowe ḣttp://hep.fuw.edu.pl/zciof/ii_pracownia/p3/html/index/23%20detekcja.htm
Detekcja czastek Pomiar jonizacji Jonizacja ośrodka oznacza powstanie w nim swobodnych ładunków: możliwy jest przepływ pradu. w gazie w półprzewodniku Na tej zasadzie opiera się większość współczesnych detektorów.
Detekcja czastek Komora iskrowa Jonizacja powoduje przeskok iskry pomiędzy elektrodami Możliwość wyboru zdarzeń (sterowanie napięciem)
Detekcja czastek Komora wielodrutowa Georges Charpak 1970 (Nobel 1992) Tanie! Odczyt w pełni elektroniczny! elektronika+komputer rewolucja
Detekcja czastek TPC Komora projekcji czasowej Przypadek zderzenia ciężkich jonów detektor STAR przy RHIC
Detekcja czastek Detektory półprzewodnikowe Bardzo różne technologie, m.in. CCD (używane w fotografii cyfrowej) Każdy aparat cyfrowy jest detektorem czastek! Zdjęcie z kamery astronomicznej. Wycinek: To ślad czastki...
Detekcja czastek Detektory półprzewodnikowe Coraz powszechniej używane. Element detektora krzemowego Bardzo precyzyjny pomiar pozycji czastek (rzędu µm) Mierzone punkty przejścia wiazki czastek przez pięć warstw "teleskopu": Mierzac pozycje w wielu warstwach możemy zrekonstruować tor.
Detekcja czastek 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
Detekcja czastek Fotopowielacz Aby móc zmierzyć pojedynczy foton musimy wzmocnić pojawiajacy się ładunek. Jeden foton powoduje przepływ makroskopowego pradu.
Detekcja czastek Detektory scyntylacyjne Tradycyjne liczniki scyntylacyjne coraz rzadziej używane. Nowe koncepcje: włókna scyntylujace, fotopowielacze krzemowe.
Detekcja czastek 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!
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 11 000 fotopowielaczy (50 cm średnicy!) rejestruje przechodzace czastki rejestrowane jest promieniowanie Czerenkowa
Współczesne eksperymenty Super-Kamiokande
Super-Kamiokande
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.
Współczesne eksperymenty Obserwatorium Pierre Auger http://www.auger.org/ Obserwacja wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego Scyntylacja w powietrzu. Promieniowanie Czerenkowa w detektorach na powierzchni.
Współczesne eksperymenty Obserwatorium Pierre Auger (Argentyna) Detektor powierzchniowy Mapa obserwatorium: 4 stacje po 6 teleskopów obserwujacych świecenie w atmosferze (UV) 1600 detektorów powierzchniowych rozstawionych na 3000 km 2!!!
Współczesne eksperymenty Obserwatorium Pierre Auger : energie do 10^20 ev!!! Schemat obserwacji "pęku atmosferycznego": 4 "zdjęcia" z teleskopów + "ślad" na powierzchnii
Detekcja czastek cd 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
Detekcja czastek 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
Detekcja czastek Kalorymetry Symulacja rozwoju kaskady hadronowej (pomiar energii protonu)
Wspólczesne eksperymenty: LHC Detektorrzy LHC
Detektor przy LHC
Pytania do wykładu 2 Pytania do wykładu 2 2.01 Jakimi sposobami badamy cząstki elementarne? Podaj dwa z nich. 2.02 Podaj energię i temperaturę Wszechświata dla czasu t=100 s 2.03 Czy możemy przewidzieć kiedy nastąpi rozpad neutronu? 2.04 Czy można wykonać pomiar własności cząstki elem. bez oddziaływania z ta czastką? 2.05 Czy emulsja fotograficzna może służyć do detekcji cząstek? 2.06 Na czym polega działanie komory pęcherzykowej? 2.07 Wymień 3 zjawiska wykorzystywane w detekcji cząstek 2.08 Na czym polega proces jonizacji? 2.09 Na czym polega scyntylacja? 2.10 Co to jest komora mgłowa Wilsona? 2.11 Jaki proces zachodzi w komorze iskrowej? 2.12 Czy aparat cyfrowy może służyć do detekcji cząstek? 2.13 Jaki jest warunek emisji promieniowania Czerenkowa przez cząstkę naładowaną? 2.14 Czy kalorymetr to detektor? Co mierzy kalorymetr? 2.15 Oddziaływania jakich cząstek rejestrujemy w detektorze Super- Kamiokande? Jaki sygnał jest rejestrowany? 2.16 Co obserwuje Obserwatorium Pierre Auger? Jakie dwie metody obserwacji są tu używane?