Paarbildung
Werbung
Astroteilchenphysik – I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 3, 3.11.2015 Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Experimentelle Techniken - Luftschauer-Prozesse Einführung elektromagnetische Kaskaden, Myonen & Hadronen Querverbindungen Schauerparameter KIT – University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu Multimessenger-Methoden 20000 hochenergetische Neutrinos (Atmosphäre) n Myonen g CR >500 Quellen > 10 GeV 2 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 27 UHECRs > 60 EeV KIT-IEKP Häufigkeit Primärteilchen: E = 1011 eV (V. Hess) 1 Ereignis / m2 / s E = 1015 eV (P. Auger) 1 Ereignis / m2 / a E = 1019 eV (D. Linsley) 1 Ereignis / km2 / a große LuftschauerArrays (>1013 eV) Satelliten (<1014 eV) Flussdichte [m-2 sr-1 s-1 GeV-1] hochenergetische Schauer – Raten 102 Hess 10-4 Auger 10-10 10-16 Power Law 10-22 Linsley 109 1011 1013 1015 1017 1019 1021 Energie [eV] 3 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Luftschauer - Primärteilchen Zusammensetzung der primäre kosmische Strahlung: - 86 % Protonen, 11% Alpha-Teilchen, 1% schwere Kerne, 2% Elektronen - Elementhäufigkeit entspricht nahezu der solaren Verteilung relative Häufigkeit Kosm. Strahlung Sonnensystem C O Fe Spallation von C-12 Ordnungszahl 4 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Anzahl dN/E [GeV-1 m-2 s-1sr-1] Chemische Zusammensetzung der CR ~gleicher Index direkte Messungen (Ballonexperim.) - ALICE: Messung von 16O bis 56Fe p = 1 GeV/c Ladung Z R = p·c / Z·e kinetische Energie pro Teilchen (Kern) [GeV] 5 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 Ekin [MeV/Nukleon] ß Flugzeit - ISOMAX: Trennung von 3He / 4He Rigidität R [GeV/c] KIT-IEKP Luftschauer: Grundlagen & Experimente Luftschauer: entstehen durch Wechselwirkung eines primären hochenergetischen Teilchens in der oberen Atmosphäre, dann sekundäre Teilchen via Kaskaden-/Zerfalls-Prozesse (3 Komponenten) elektromagnetische Komponente - Elektronen, Positronen & Photonen - Kaskadenprozesse, „weich“ myonische Komponente - µ+/µ- mit großer Durchdringungskraft - „harte“ Komponente hadronische Komponente - Hadronen: p, n, Pionen p±, Kaonen K± - hohe Ionisationsrate dE/dx 6 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Entwicklung eines Luftschauers Modellierung der Teilchenwechselwirkungen in der Atmosphäre ist entscheidend experimentelle Daten für Entwicklung eines Schauers aus Hochenergiephysik Hadronen Myonen 7 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Entwicklung eines Luftschauers Modellierung: Kernwechselwirkungen, Teilchenzerfälle, elektromagnetische Wechselwirkungen, Reaktions-Kinematik Primärteilchen (ionisierter Kern) vollständig ionisierter Kern oder Proton p 14N Pion-Kern Reaktion erste Wechselwirkung p p 8 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 n Pionzerfall µ 16O g 16O 14N e µ p n zweite Wechselwirkung KIT-IEKP Jets & Schauer an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik Schauer am LHC-Beschleuniger - Beschleuniger: Protonen bis 7 TeV (exakt bekannt) - Abdeckung in einer 4p-Geometrie 9 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 Schauer durch AGN-Beschleuniger - Beschleuniger: Protonen bis 1020 eV oder Kerne (Primärteilchen ist unbekannt) - Abdeckung nur in enger Vorwärtsrichtung KIT-IEKP Jets & Schauer an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik Schauer am LHC-Beschleuniger Beschleuniger: - sehr hohe Luminosität - bekannte Zeitstruktur Beschleuniger: - sehr niedrige Luminosität - unbekannte Zeitstruktur Collider Experiment Proton 7 TeV ECAL 10 3.11.2015 Schauer durch AGN-Beschleuniger Fixed Target Experiment 4p Geometrie 1013-1020 Detektor G. Drexlin – VL03 7 TeV Proton eV Detektor Proton Kern Target (Atmosphäre) KIT-IEKP Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: primäre Teilchen Elektronen (aus p± → e± ne ) und Gammas (aus p0 → g g) ~98% aller Teilchen einer Kaskade: Elektronen & Photonen 80 GeV e- Absorber Paarbildung Bremsstrahlung Elektronen Strahlungslänge 11 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 Paarbildung g → e+ + e- Bremsstrahlung e± → e± + g KIT-IEKP Paarbildung – wichtige Parameter Wirkungsquerschnitt für Paarbildung: Schwellenergie Eg,thresh ~ 2 me = 1.02 MeV [ + O(me2 / MKern) ] paar 9 X0 7 Paarbildung (e±, g) Paarbildung e+ g Elektronen eKern 12 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Paarbildung und Gamma-Astronomie Paarbildung: Kinematik erfordert Impulstransfer an Kern (hohes Z) - Absorption des Rückstoßes kann nicht im Vakuum erfolgen (daher Gamma-Astronomie!) Paarbildung (e±, g) Paarbildung e+ Propagation über Mpc g Gamma Ray Burst eKern Atmosphäre 13 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Bremsstrahlung – wichtige Parameter Bremsstrahlungsverluste: - nehmen linear mit der Energie E zu 1 dE E dX brems X 0 - nur wichtig für leichte Teilchen (e- e+), da Elektronen 3.11.2015 Kern e- e- sBrems ~ 1/m2 Beispiel: Myon-Elektron Verhältnis dE/dx(µ/e) ~ ( me / mµ )2 ≈ 2.2 ∙ 10-5 14 Bremsstrahlung (e±, g) G. Drexlin – VL03 g KIT-IEKP Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber für elektromagnetische Komponente ~80%-95% der Primärenergie wird in Ionisationsenergie umgewandelt 1 Strahlungslänge X0 - typische Längenskala, nach der bei hochenergetischen Elektronen Elektronen X0 - ihre Energie auf 1/e abgefallen ist durch Emission von Bremsstrahlung E ( x ) E0 e X X0 hochenergetischen Photonen - 7/9 der mittleren freien Weglänge für Paarbildung erreicht ist X 0 7 9 paar 25 15 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: Erdatmosphäre entspricht einem elektromagnetischen Kalorimeter mit ~ 25 X0 Schauerentwicklung abhängig von atmosphärischen Parametern 1 30 Elektronen X0 20 X0 = 304,2 m 25 16 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 Höhe [km] 40 10 P [mbar] KIT-IEKP Elektromagnetische Komponente Elektronen 30° 200 700 Ne (max) ~ E0 1030 1200 17 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 Xmax ~ ln(E0/A) 0° atmosphärische Tiefe [g/cm2] Schauerentwicklung: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber - 105 bis zu 1011 Teilchen X0 - Schauermaximum Xmax Schauergröße Ne Meereshöhe vertikale Schauer Meereshöhe Schauer unter 30° KIT-IEKP Elektromagnetische Komponente Schauergröße Schauerentwicklung: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber - Primärenergien < 1013 eV erreichen nicht den Erdboden - Lage des Schauermaximums Höhe [km] 4 3 1.5 0 Xmax ist energieabhängig 1015 eV Elektronen 108 1017 eV 1016 eV 107 1015 eV 106 1014 eV 105 1013 eV 104 1012 eV 103 1012 eV 1011 eV 102 101 0 10 20 30 atmosphärische Tiefe [X0] 18 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Kalorimetrie an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik ECAL am LHC-Beschleuniger ECAL am AGN-Beschleuniger Beschleuniger Beschleuniger Protonen bis 7 TeV Protonen bis 1020 eV ECAL ~20 X0 Atmosphäre 1000 g/cm2 ECAL ~30 X0 61200 PbWO4 X0 = 0.89 cm 19 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 X0 = 300 m (am Boden) KIT-IEKP Myonische Komponente Myonen („Cosmics“): - Flussdichte in Meereshöhe dF/dA = 100 m-2 s-1 - Ladungsverhältnis µ+ / µ- = 1.2 - Gesamtanteil an Sekundärteilchen: ~ 1.7% g · 2.2 µs Myonen - Lebensdauer t = g · 2.2 µs - Energieverlust dE/dx ~ 2 MeV/cm (H2O) minimal ionisierende Teilchen (m.i.p.s) - durchdringende Komponente auch nach massiver Abschirmung Sanford Underground Lab Myonen 20 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Myonen an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik Myonen vom LHC-Beschleuniger Myonen von kosm. Beschleunigern Beschleuniger Beschleuniger Protonen bis 7 TeV Protonen bis 1020 eV 1400 Myonkammern im Rückflussjoch Myonabschirmung im Untergrundlabor Detektor 21 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Hadronische Komponente Hadronen: Protonen, Neutronen, Pionen, Kaonen, … (0.3% Anteil) lokalisiert im Schauerkern, Erdatmosphäre entspricht ~ 11 hadronischen Wechselwirkungslängen 1 Hadronische Wechselwirkungen - hadronische Wechselwirkungslänge = mittlere Länge für inelastische Streuung 1 s n in [g cm-2] bzw. [cm] s: Kern-Wirkungsquerschnitt n: Anzahl der Streuzentren - ist wesentlich größer als X0 Hadronen 11 22 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Hadronen an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik HCAL am LHC-Beschleuniger HCAL für kosm. Beschleuniger Beschleuniger Beschleuniger Protonen bis 7 TeV Protonen bis 1020 eV Fe-Hadron-(Sampling) Kalorimeter - Eisen: = 16.8 cm X0 = 1.76 cm 23 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 K A S C A D E KIT-IEKP Schema eines Luftschauers 24 3.11.2015 G. Drexlin – VL04 KIT-IEKP Schema eines Luftschauers 25 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Schema eines Luftschauers 26 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Schema eines Luftschauers 27 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Schema eines Luftschauers 28 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Schema eines Luftschauers elektromagnetische, myonische und hadronische Komponenten 29 Elektronen/Positronen Photonen Myonen Neutronen 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Schema eines Luftschauers Erdatmosphäre als Kalorimeter für die Primärteilchen 1015 eV Fe-Kern CORSIKA-Simulation 30 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Luftschauer – Simulation Longitudinalverteilung Lateralverteilung 31 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Luftschauer – Rekonstruktion Trajektorie Oberflächenarray Longitudinalverteilung X(h) über Fluoreszenzlicht Lateralverteilung r(r) von Myonen & Elektronen 32 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 KIT-IEKP Lateralverteilung - Aufgabe: Bestimmung von Ne = Elektronanzahl im Schauer Nµ = Myonanzahl im Schauer aus Integration über Lateralerteilung r(r) - Fit von Lateralverteilung r(r): keine exakte Beschreibung möglich analytische Parametrisierung: NKG-Fit Nishimura Kamata Greisen Greisen-Fit 33 3.11.2015 G. Drexlin – VL03 Teilchendichte (m-2) Lateralverteilung r(r) von Myonen & Elektronen PeV-Skala 103 PeV-Skala 102 Elektronen 101 Elektronen 100 10-1 Myonen 100 200 300 400 500 600 Abstand zu Schauerzentrum (m) KIT-IEKP Energie des Primärteilchens 10 3 Energie E0? Fluss (m-2 sr-1 s-1 GeV-1) Primärenergie E0 aus Ne und Nµ: 1 m-2 s-1 10-3 10-9 1 m-2 Jahr-1 10-15 10-21 1 km-2 Jahr-1 10-27 Myonen 34 3.11.2015 Elektronen G. Drexlin – VL03 Primärenergie E0 (eV) KIT-IEKP
