Beschleuniger und Detektoren - ETH Zurich
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Beschleuniger und Detektoren Experimentieren in der Teilchenphysik 22.2.2012 Christoph Grab ETH Zürich 0 I. Konzepte 1 Energie ⇔ Masse Aequivalenz E = mc2 Aus der Energie der Kollisions-partner Erzeugung neuer Teilchen c2 ist eine “Riesige Zahl” ~ 10+17 (m/s)2 brauche VIEL Energie fuer kleine Massen Messe Geschwindigkeit in =v/c Natuerliche Einheiten: c = 1 “Protonmasse” m(p) = 1.78 10‐27 kg ~ 1 GeV/c2 => 1 GeV m(e) = 0.5 MeV Schwerstes Quark: top ~ 175 GeV Energie ⇔ Auflösung h... Planck Konstante, c ... Lichtgeschwindigkeit λ... Wellenlänge Je grösser die Energie, desto kleiner die Wellenlänge. Die Wellenlänge bestimmt das Auflösungsvermögen: Je kleiner die Wellenlänge, desto kleinere Dinge / Teilchen kann man messen. Grosse Energien heisst also grosses Auflösungsvermögen! Teilchenphysik erreicht bis 10‐18 m 1 TeV Bereich Luis de Broglie Ereignisrate im Experiment R= σ L ε R = Rate =Anzahl gemessener Ereignisse pro Zeit = Effizienz ist ein Detektorparameter = Wirkungsquerschnitt = Mass für die Wahrscheinlichkeit eines Prozesses = darin steckt die Physik L = Luminosität = Beschleuniger Eigenschaft, beschreibt “Strahlintensität” II. Teilchenbeschleuniger LHC 5 Large Hadron Collider CMS LHC ALICE (27km) LHCb SPS ATLAS (7km) • • • • • • • Proton-proton Kollisionen seit 2009 Design Schwerpunktsenergie: 14 TeV 27 km langer Ring Tunnel (von LEP) 40 MHz Kollisionsrate 4 Experimente 23. Nov. 2009: erste Kollisionen bei 900 GeV Seit 30. März 2010: Kollisionen bei 7 TeV 6 Woher kommen die Teilchen? Elektronen: Wie im (alten) Fernseher: Heize dünnen Draht, Elektronen treten aus, werden mit elektrischemFeld beschleunigt. Protonen: Schiesse Elektronen auf Wasserstoff H- -Ionen, im elektrischen Feld beschleunigt Strippe beide Elektronen weg (durch Folie schiessen) Oder: reisse H-Atome mit elektrischem Feld auseinander 7 Teilchen Beschleunigen • Generatoren erreichen Spannungen bis zu einigen 100 kV • • Wechselspannung: Mehrere Platten, Spannung immer so, dass Teilchen vorwärts beschleunigt wird. Bis zu 35 MV pro Meter möglich Cavity 8 Wellenreiten für Teilchen • • Bei jedem Durchgang werden Teilchen beschleunigt erhalten Energie Teilchen in Paketen (Bunches) gebuendelt Cavity 9 LHC ‐ Magnete Magnete, um Strahlen zu fokussieren oder abzulenken Magnete am LHC: Dipole: 14.3 m lang 8.33 T 1.9 K (-271.3oC) • total ~ 9’600 Magnete im Ring • 1232 supraleitende Dipol Magnete • Starkes Magnetfeld von 8.33 T • 2 getrennte Protonen Strahlrohre Cryogenie: Um die supraleitenden Magnete auf 1.9 K = -271.3 Celsius zu halten brauchts ~96 t He Dipolmagnet: twin-aperture Large Hadron Collider (LHC) Beam Bunch Proton Protonen (p) kreisen 11245 Mal pro Sekunde, produzieren ~ 40 Millionen Kollisionen / s in Detektoren. C.Grab 11 Verschiedene Beschleuniger • Elektron-Positron-Collider LEP Genf, 1989-2000, 100 GeV Strahlenergie • Elektron-Proton-Collider HERA DESY, 1991-2007, 27 (e) x 920 (p) GeV Strahlenergie • Hadron-Hadron-Collider LHC Genf, seit 2009, Proton-Proton, 3.5 (7) TeV Strahlenergie • Linear Beschleuniger SLAC (Electron-Target/Positron) Large Hadron Collider C.Grab III. Detektoren 14 Was wollen wir messen? • Muss mindestens folgende Grössen messen: Ladung, Impuls (Vektor), Energie • Weitere Grössen können dann berechnet werden: Masse, Geschwindigkeit (Vektor), Teilchentyp • Weitere Grössen sind aus Zerfällen bestimmbar: Drehimpuls, Lebensdauer, Masse m, p, E, v, ID, s, 15 Typisches Detektorkonzept Kombiniere verschiedene Detektortypen/Technologien zu einem grossen Detektorsystem (hier Ausschnitt): Kalorimeter Muon Detektoren Hadronisches verschiedene Detektoren für Spuren geladener Teilchen Elektromagn. Kalorimeter Wechselwirkungs punkt oft in einem Magnetfeld 16 CMS Detektor Layout Reaktion findet hier statt Gewicht : Durchmesser : Länge : Magnetfeld : 12,500 t 15 m 21.6 m 4 Tesla Hadronisches Kalorimeter p Muon Kammern Spurendetektoren El.mag. Kalorimeter p Magnet 100 Millionen individuelle Detektorelemente, 43000 Kabel von 1200 km total Länge C.Grab 17 Was heisst eigentlich messen? Detektor Teilchen fliegen durch Detektor erzeugen elektrische Signale (Q, I ) werden digitalisiert und gespeichert Computerprogramme rekonstruieren Spuren für Analyse verwendbar 18 Innen: Spurdetektoren • Spurdetektor befindet sich in Magnetspule • • • Messe Impuls (Vektor p) der geladenen Teilchen Misst gekrümmte Flugbahn im Magnetfeld B Aus Krümmung =1/R können Ladung und Impuls bestimmt werden. kleiner Impuls grosse Ablenkung (1/R) kleiner Kruemmungsradius 19 Spurdetektoren = “Tracker” • Sensoren: Dünne Siliziumscheiben (links) oder Gasdetektoren (rechts), etc.. C.Grab 20 Messen mit Gasdetektoren • Geladene Teilchen fliegen durch gas‐ gefuellten Detektor, ionisieren die Gasatome erzeugen Ion‐Elektron Paare • Diese Ladungen werden durch elektrisches Feld abgezogen Signal • Bsp: “Single Wire Proportional Chamber” – Detektor‐Rohr mit Gas gefuellt – HV zwischen Cathode (‐) und Anode (+) – Hohes Feld nahe an Anodendraht erlaubt Elektronen zu weiteren Ionisationen ergibt Ladungs‐Lawine Signal groesser Auslesen der Ladung z.B. ueber RC‐Glied zu Vorverstaerker “Signal” Verschiedene Geometrien • Multiwire‐Prop. Chamber “MWPC” (G.Charpak, 1992) G. Charpak, F. Sauli and J.C. Santiard • Erzeugen starke elektrische Felder, die Elektronen beschleunigen • Parallel Plate • Strips • Holes • Grooves Messen mit Siliziumdetektoren • Teilchen erzeugen durch Ionisation Elektron‐Loch Paare in einer “depleted zone” des Si‐Substrates of the silicon substrate • In 0.300 mm Si werden ca 24000 Paare erzeugt • Ladungen bewegen sich im E‐ feld zur Elektrode • Ladung wird als Strom‐pulse ausgelesen • Pulse dient wieder der Lokalisierung des Teilchens • Hohe raeumliche Aufloesung moeglich: ~ 10‐20 microns CMS barrel Pixel Energie messen = “Calorimeter” Stoppe Teilchen und messe Energie die dabei frei wird Kristallkalorimeter Sampling Calorimeter Stoppe das Teilchen in einem schweren Kristall und messe, wie viel Licht dabei entsteht Messe, wie viele Schichten eines dichten Materials ein Teilchen durchdringt CMS: PbWO4 CMS: Messing +Scintillator (barrel) 24 Zwei Teilchensorten = Calorimeter‐Typen Elektromagnetisch (Elektronen und Photonen) Elektronen strahlen Photonen ab Elektromagn. WW Photonen konvertieren zu Elektron – Positron Kurze, heftige Schauer • • • • Hadronisch (p,,...bestehen aus Quarks) • • • Stösse mit Atomkernen produzieren mehr Hadronen Starke WW Tiefe, dünnere Schauer Weil die Hadronen tiefer im Kalorimeter wechselwirken, heisst der innere Teil elektromagnetisches, der äussere hadronisches Kalorimeter 25 Myonen • Myonen sind die schwereren Partner der Elektronen • Sind sehr durchdringend, d.h. sie bleiben im Kalorimeter nicht stecken • Weise Myonen mit einem Detektor ausserhalb der Kalorimeter nach typisch mit Gasdetektoren 26 Neutrinos • Neutrinos wechselwirken fast nie mit Materie • Fliegen (fast) unbemerkt durch den Detektor (und auch durch die Erde) • Aber: Sie tragen Energie und Impuls aus der Gesamtreaktion weg Missing E (MET), p • Brauche Detektor, der möglichst wenig Löcher hat, um sicher zu sein, dass fehlender Impuls von Neutrino(s) stammt. 27 Transverse slice through CMS detector Event Display • Jede Kollision die aufgezeichnet wurde, ist ein Ereignis (Event) • Jedes Experiment hat ein Computerprogramm,um die Information von einem Ereignis darzustellen • Betrachten der Events liefern viel Info über die Physik • Als Vorbereitung auf richtige Daten werden „Monte Carlo“ Daten studiert 29 CMS – three Jet Event QCD pp ZZ ee Kandidat Bilder von CMS 34 Compact Muon Solenoid Supraleitende Spule 35 Compact Muon Solenoid Tracker 36 Compact Muon Solenoid ECAL 37 Compact Muon Solenoid HCAL 38 ‐ Test In Montagehalle oberirdisch, danach komponentenweise in unterirdischen “Pit” transportiert + zusammengebaut. C.Grab 39 Halle UNTEN – leer ... C.Grab 40 Herunterlassen der ersten Endcap Komponenten Nov 2006 C.Grab 41 Schwerstes Element (YB0) wiegt 2000 t ( ~ 5 Jumbo Jets) C.Grab active 42 Schwerstes Element (YB0) 2000 t ( ~ 5 Jumbo Jets) C.Grab 43 CMS Detektor CMS C.Grab 44
