Vorlesung Kern- und Teilchenphysik WS12/13 13

Vorlesung
Kern- und Teilchenphysik WS12/13
13. November 2012
0 - Teilchendetektion
•  Viele verschiedene Teilchen und Wechselwirkungen
•  Detektoren messen nur Effekte der Anregung oder
Ionisation
Umwandlung in elektrische Signale (Spannung  ADC)
Vorlesung Übersicht
1) Teilchen und Messgroessen
2) Wechselwirkung und Nachweis von Photonen
3) Energiemessung von Photonen: Kalorimeter
4) Wechselwirkung und Nachweis geladener Teilchen
5) Detektoren für geladene Teilchen
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
1.1 - Detektierbare Teilchen
Atomphysik
•  Hüllenelektronenübergänge  Photonen (Licht, UV,
Röntgen)
•  Photoeffekt  Elektronen
Kernphysik
•  Kernabregung  Photonen (Gamma, Röntgen)
•  Radioaktivität  He-Kerne, Elektronen, Photonen,
Neutrinos
Teilchenphysik
•  Photonen, Elektronen, Protonen, Neutrinos, (stabil)
Neutronen, Myonen, Kaonen, Pionen (langlebig)
•  kurzlebige Zwischenresonanzen nur über o.g.
Endzustandsteilchen rekonstruierbar
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
1.2 - Messgrößen
Ladung: Betrag und Vorzeichen
(Teilchenphysik: ±1, 0)
- Bahnkrümmung im Magnetfeld
- Ionisationsdichte
Lebensdauer τ
-  Präzise Spur- und
Vertexrekonstruktion
- Messung der Zerfallsbreite
Gesamtspin J=L+S, Spin, S
-  Erhaltungsgrößen (J, P, C)
-  Winkelverteilung der
Zerfallsprodukte
Impuls,
Energie,
Masse
-  Spur im Magnetfeld  p
-  Cherenkov-Licht oder
Flugzeitmessung  v
-  Kalorimeter  E
-  Energieverlust dE/dx mit p  m
-  Viererimpulserhaltung
(Resonanzen)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
1.3 - Wechselwirkung von Strahlung mit Materie
Neutrale Teilchen
- Photonen
- Neutronen (nur starke WW)
- Neutrinos (nur schwache WW)
Geladene Teilchen
- Elektronen
-  schwere geladenen Teilchen m > me
-  Cherenkov-Licht: geladene Teilchen mit v > c/n
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2 - Wechselwirkung und Nachweis von Photonen
Photon (γ) – Energiebereich: einige eV bis viele GeV
Drei Prozesse:
•  Photoeffekt
•  Comptoneffekt
•  Paarerzeugung
typisches Gamma-Spektrum
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2.1.1 - Photonen in Materie: Photoeffekt
Photon der Energie hν
•  Photoeffekt an Hüllenelektronen
plus Kern (Impulserhaltung)
•  Dominant für kleine Photonenergien
•  Photon absorbiert
•  Elektronenenergie Ee = hν – EB,e
•  Wirkungsquerschnitt σPh = const×Z5
Sekundäreffekte (Schalenübergänge)
•  Photonen
•  Auger-Elektronen
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2.1.2 - Photonen in Materie: Comptoneffekt
Photon der Energie hν
•  Compton-Streuung an
(quasi-)freiem oder Hüllenelektron
•  Mittlere Energien
•  Neues Photon mit geringerer Energie hv’
•  Elektron mit Energie Ee = hν-hν’
•  Wirkungsquerschnitt σCo = const×Z
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2.1.3 - Photonen in Materie: Paarerzeugung
Photon der Energie hν
•  Paarerzeugung im Coulombfeld eines Kerns
(Impulserhaltung, für reelles Photon)
•  Dominant bei hohen Photonenergien
•  Schwellenenergie Eγ =2me + 2(me2/mKern) ≈ 2me
•  Wirkungsquerschnitt σPa = const×Z2
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2.1.4 - Photonen in Materie
•  Statistischer Prozess
 keine Reichweite
 Photonstrahl: geschwächt
 I = I0e-µx
•  Absorbtionskoeefizienten
µ = σNA/N [cm-1]
µges = µPh + µCο + µPa
L-Kanten
K-Kante
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2.2 - Elektromagnetische Teilchenschauer
Hochenergetische Photonen erzeugen Schauer in Materie
-  Paarerzeugung (γ)
-  Bremsstrahlung (e±)
Paarerzeugung stoppt,
wenn die Energie
Ec < 600 MeV/Z
(Ec kritische Energie, bei der
Bremsstrahlungsverluste
=Ionisationsverlutse)
(gleicher Prozess: einlaufendes Elektron)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2.2 - Elektromagnetische Teilchenschauer
Schauerausdehnung
•  lateral: Strahlungslänge X0 [g/cm2]
•  Materialabhängige Größe
•  Wirkungsquerschnitt für Paarproduktion
1X0
7/9 der mittleren freien Weglänge für Paarproduktioneines
Photons
bzw. Elektronenergie auf 1/e durch Bremsstrahlung
•  98 % der Energie in 2,5(ln(E/Ec)+C) ≈ 20 X0
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2.2 - Elektromagnetische Teilchenschauer
Schauerausdehnung
•  transversal: Molière-Radius Rm
•  Rm = 21 MeV X0/Ec [g/cm2]
•  95% der Energie eines Schauers in Zylinder mit Radius
2Rm
(für alle Materialien)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
2.2 - Elektromagnetische Teilchenschauer
Kalorimeter zur
Energiemessung von γ (e±)
Strahlungslängen
 Größe des Kalorimeters
 kurz/kompakt
PANDA-Experiment
•  PbWO4 (PWO)
(BGO)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.1 - Szintillatoren
Schauer nicht direkt detektierbar, variable Einzelenergien
Kalorimeter: Szintillatoren
 Geladenen Teilchen produzieren Lichtblitze in
bestimmten Materialien
 Umwandlung der deponierten Energie in
Lumineszenzlicht (sichtbar/UV: eine Wellenlänge)
 Lichtstärke proportional zur deponierten Energie
 nachgewiesen durch Photodetektoren
Organische Szintillatoren
•  Plastikmaterialien (H, C und O-Atome)
Anorganische Szintillatoren
•  Kristalle wie NaJ, CsJ, BGO, PWO
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.1.1 - Organische Szintillatoren
Szintillationsmechanismus in organischen Szintillatoren
•  Angeregte Vibrationsmoden von Molekülen zerfallen unter
Aussendung von UV-Licht. Dieses UV-Licht wird mit Hilfe von
Wellenlängenschiebern in sichtbares Licht umgewandelt. Diese sind
dem Szintillator beigesetzt.
Vorteile
•  preiswert
•  schnelle Lichterzeugung
•  kein Kristall → praktisch jede Geometrie ist möglich
Nachteile
•  niedriges Z und geringe Dichte → ungeeignet für hohe Energien
•  weniger Licht als anorganische Szintillatoren
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.1.2 - Anorganische Szintillatoren
Szintillationsmechanismus in anorganischen Szintillatoren
•  Schwach gebundene Elektronen-Loch-Paare - sogenannte Exzitonen –
bewegen sich durch den Kristall und können in bewusst eingebrachten
Verunreinigungszentren (Aktivatorzentren) unter Aussendung von
Licht rekombiniert werden.
Vorteile
•  kurze Strahlungslänge
•  hohe Lichtausbeute
Nachteile
•  oftmals hygroskopisch
•  Kristallstruktur begrenzt Form und Grösse
•  lange Zerfallszeiten (µs) begrenzt Teilchenrate
•  Lichtausbeute ist temperaturabhängig
•  teuer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.2 - Lichtleiter/Optische Kopplung
Verbindung Kristall - Detektor
•  Klebstoff
transparent, luftdicht, keine Verunreinigungen
•  optisches Gel
Lichtleiter zwischen Szintillationskristall und Detektor
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3 - Photodetektoren
Szintillationslicht gemessen mit
•  Photomultiplier (Sekundärelektronenvervielfacher)
Mikrokanalplatten
•  Photozellen
•  Photodioden (Halbleiter, Röhren)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.1 - Photomultiplier
•  Ein Szintillationsphoton
löst ein Primaerelektron aus
Kathode aus (äußerer
Photoeffekt)
(dünne Kathodenschicht)
•  Elektrisches Feld
•  Primärelektronen durch
Dynoden verstaerkt
•  Spannungssignal an Anode
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.1 - Photomultiplier
Wichtige Größen
•  Quanteneffizienz (QE)
 Wahrscheinlichkeit für ein Photon, ein Primärelektron
auszulösen
 Photomultiplier QE ≈ 25 %
•  Verstärkung
 3-5 Sekundärelektronen pro Dynode
 10 Dynoden  106
•  Zeitaufloesung
Nachteile
 Laufzeit,
•  Laufzeitschwankungen
Signalaufbau
•  Einfluss eines äußeren Magnetfelds
 ≈ 40 ns
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.2 - Mikrokanalplatten
•  Primäre Elektronen werden in Kanälen mit geeigneter
Bedampfung (10-100 µm Durchmesser) beschleunigt.
•  Kanal = Dynode
•  Elektronen aus Wand
herausgeschlagen
•  Verstärkungen von 107
•  Reduzierung der
Laufzeitschwankungen
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.3 - Photodioden: Halbleiter
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.3 - Photodioden: Halbleiter
Szintillationsphoton erzeugt ein Elektron-Loch-Paar
Signal: Sammlung der Elektronen vor Rekombination

Halbleiter-Diode in Sperrrichtung betreiben
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.3 - Photodioden: Halbleiter
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.3 - Photodioden: Halbleiter
Betrieb in Sperrrichtung
Signal
+HV
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.3 - Photodioden: Halbleiter
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.3 - Photodioden: Halbleiter
PANDA: LAAPD (Large Area Avalanche Photodiode)
•  Halbleiter (interner Photoeffekt)
•  Magnetfeld kein Einfluss
•  QE >70 %
•  Sperrrichtung
hohes E-Feld
 Elektronen:
Stoßionisation
(Verstärkung durch
Lawineneffekt)
•  Signal an Anode
+
Anode
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.3.3 - Phototriode/-tetrode (VPT/VPTT)
• 
• 
• 
• 
Ähnlich Photomultiplier
Röhren mit einer (VPT) bzw. zwei Dynoden (VPTT)
QE 15-25%
Verstärkung 10 (VPTT: 20-60) bei 1kV Betriebsspannung
•  Nachteil: kleines Ausgangsignal (schlecht)
•  Vorteil: geringer Einfluss eines Magnetfelds
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.1 - Kalorimeter: Aufbau
Designziele für Elektromagnetische Kalorimeter (EMC)
•  Hohe intrinsische Energieauflösung
•  Hohe Granularität, hermetischer Detektor (keine Lücken)
•  Große Tiefe (Schauer komplett erfasst)
 vollständige Schauerrekonstruktion
 Präzise Energiemessung für Elektronen, Photonen
 Vertexrekonstruktion
•  u. U. Verwendung in Online-Datenselektion → schnelle
Auslese
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.1 - Kalorimeter: Aufbau
Es gibt verschiedene Bauformen für Kalorimeter:
Homogene Kalorimeter
•  Absorption und Signalerzeugung im selben Material, z.B.
PWO-Kristalle.
Sampling Kalorimeter
•  Sampling-Kalorimeter: Schichten von Absorber (z. B.
Bleiplatten) und Signalerzeugung (z. B. Plastikszintillator,
flüssige Edelgase)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.2 - Kalorimeter: Auflösung
Energieauflösung
•  verbessert sich mit steigender Energie
σ(E)
E
=
√a
E
stochastischer Term:
Schauerfluktuationen
⊕b⊕
c
E
Kalibration
Energieverluste
Rauschen der
Elektronik
Ortsauflösung
•  Granularität
•  Schauerrekonstruktion
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.3 - Kalorimeter: Ausleseelektronik
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.4 - Beispiel: ATLAS (CERN)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.5 - Beispiel: PANDA (GSI)
Elektromagnetisches Kalorimeter
•  Drei Segmente
 Vorwärtsendkappe (Ø2m, 3600 Kristalle)
 Rückwärtsendkappe (Ø0,7m, 500 Kristalle)
 Mittelfass (Barrel)
(Ø1m, Länge 2,5m, 11000 Kristalle)
•  Szintillatormaterial PWO
Kristalle 20 cm lang  22 X0 (Teilchen bis 15 GeV
nachweisbar)
Frontfläche 2,4cm (Molière-Radius 2 cm)
•  Kühlung -25 C, stabilisiert auf ± 0,1 C°
(Lichtausbeute temperaturabhängig)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.5 - Beispiel: PANDA (GSI)
Temperaturabhängigkeit der Lichtausbeute
niedrige Temperatur
 mehr Licht
~ Kanalnummer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.5 - Beispiel: PANDA (GSI)
•  PWO-Kristalle an CERN-Teststand
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.5 - Beispiel: PANDA (GSI)
•  PWO-Kristalle an CERN-Teststand
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.5 - Beispiel: PANDA (GSI)
PANDA-EMC
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
3.4.5 - Beispiel: PANDA (GSI)
PANDA-EMC
•  Vorwärtsendkappe
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
4 - Wechselwirk. und Nachweis geladener Teilchen
•  Energiebereich 100 KeV bis 100 TeV
Unterscheidung
•  schwere geladene Teilchen (m>>me)
•  Elektronen
 Messgröße: Energieverlust
 (Spurrekonstruktion
mit B-Feld  Impuls)
•  alle geladenen Teilchen: Cherenkov Licht
Prozesse
Anregung
Ionisation
Bremsstrahlung
Schauer
e± wie bei γ
Hadronschauer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
4.1 - Schwere geladene Teilchen
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
4.1 - Schwere geladene Teilchen
•  Ionisation
•  Energieverlust: Bethe-Bloch-Gleichung (vereinfacht)
relativistische
Korrektur
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
4.1 - Schwere geladene Teilchen
•  Energieverlust: Bethe-Bloch-Gleichung
(abhängig von βγ
Leiter/Halbleiter etc.)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
4.1 - Schwere geladene Teilchen
•  Energieverlust:
σ(E)
a
√
=
statistischer Prozess
E
E
•  mittlere Reichweite" R0 =


!0
E0
⊕b⊕
dE
dE/dx
c
E
[g/cm2 ]
keine fest definierte Reichweite
“Straggling” um mittlere Reichweite
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
R0 =
!0
E0
dE
dE/dx
4.2 - Elektronen/Positronen
dE
− dE
|
=
−
total
dx
dx |ion. −
•  Ionisation plus
dE
|brems.
dx
Bremsstrahlung
dE
− dE
|
=
−
total
dx
dx |ion. −
−
dE
dx |paar
dE
dx |brems.
•  Berger-SeltzerFormel
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
−
dE
dx |nukl.
4.3 - Geladene Teilchen: Weitere Prozesse
Paarerzeugung
•  hohe Energien
•  im Coulombfeld der Atome über virtuelle Photonen
Wechselwirkung
mit Kern c
σ(E)
a
= √E ⊕ b ⊕ E
E
•  inelastische Wechselwirkung über virtuelle Photonen
R0 =
!0
E0
dE
dE/dx
Gesamter Energieverlust
dE
− dE
|
=
−
dx total
dx |ion. −
dE
dx |brems.
−
dE
dx |paar
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
−
dE
dx |nukl.
4.4 - Cherenkovlicht
•  Geladenes Teilchen polarisiert Atome entlang Wegstrecke
 temporäre Dipole
•  Bedingung für Cherenkovlicht v > c/n
v < c/n: Symmetrie, resultierendes Dipolfeld Null
v > c/n: Asymmetrie  Abstrahlung
•  Winkel cosθ = 1/βn
•  Beitrag klein gegen
Ionisation, Anregung
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5 - Detektoren für geladene Teilchen
•  Blasenkammern (alt)
•  Gasdetektoren
- Proportionalzählrohr
- Drahtkammer, Driftkammer
- Widerstandsplattenkammern
•  Halbleiterzähler
•  Cherenkovdetektoren
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.1 - Blasenkammer
Überhitzte Flüssigkeit
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.1 - Blasenkammer
Nachteile:
•  Einzelaufnahme
•  Einzelanalyse
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.1 - Blasenkammer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.1 - Blasenkammer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.1 - Blasenkammer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2 - Gasdetektoren
Für eine elektronische Aufzeichnung des Ionisationssignals
brauchen wir eine Verstärkung des primären Signals.
• 
• 
• 
• 
• 
Proportionalzählrohr
Vieldrahtproportionalkammer
Driftkammer
Streamerrohr
Widerstandsplattenkammer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.1 - Proportionalzählrohr
Propotionalzählmodus
•  Gas wird durch querendes Teilchen ionisiert
•  Lawinenbildung  Sekundärelektronen zum
Anodendraht  Signal
•  keine Orts-, Zeitinformation
•  Proportionalität zwischen
Signal und Primärionisation
 Röntgenspektroskopie
Geiger-Müller-Modus
•  hohe Feldstärke
•  Signal hängt nur von Feldstärke ab
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.1 - Drahtkammer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.2 - Driftkammer
Startsignal  Vordetektor
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.2 - Driftkammer
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.2 - Driftkammer
•  Versatz der Drähte erlaubt Rechts/Links-Unterscheidung
Signal: Energieverlust
Einzelpunkte: Spur
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.2 - Driftkammer
(Startsignal  Vordetektor)
Energieverlust
xy-Koordinate aus Driftzeit zu
den einzelnen Drähten
(Signaldrähte in z-Richtung)
Die z-Koordinate erhält man aus
der Größe der Signale an beiden
Drahtenden (Ladungsteilung)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.2 - Driftkammer: Teilchen(spur)rekonstruktion
•  Für einen gegebenen Impuls haben unterschiedliche
Teilchen unterschiedliche Energieverluste
•  Driftkammer:
Energieverlust dE/dx
Einzeltreffer  Spur
•  Magnetfeld:
Krümmung der Bahn
 Impuls, Ladung

Teilchen-ID
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.3 – Time Projection Chamber (TPC)
•  elektronische Blasenkammer
•  Darstellung (Projektion) einer dreidimensionalen Spur
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.2.3 – Time Projection Chamber (TPC)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.3 - Halbleiterzähler
•  Durchquerendes Teilchen: wenige eV für ElektronLochpaar (vgl. 3.3.3)
•  Energieverlustmessung
•  Ortsauflösung (Segmentierung)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.3 - Halbleiterzähler
BABAR SVT
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.4 – Teilchenidentifizierung mit Cherenkovlicht
Schwellen-Cherenkov-Detektor
Licht / kein Licht
zwei Radiator-Materialien  3 Teilchen unterscheidbar
Differentielle Cherenkov-Zähler, RICH, DIRC
Geschwindigkeitsmessung
mit bekanntem Impuls  Masse  Teilchenidentität
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012
5.4.1 - DIRC (BABAR-Experiment)
Vorlesung Kern- und Teilchenphysik - WS12/13 - 13.11.2012