Struktur der Materie für Lehramt Detektoren und Beschleuniger

Struktur der Materie für Lehramt
Detektoren und Beschleuniger
Michael Martins, Erika Garutti
Universität Hamburg
Sommer-Semester 2013
Teil II: Struktur
1 
2 
3 
4 
5 
Einführung
Tools: Teilchenprozessen, Relativistische Kinematik,
Quantenfeldtheorie, Wirkungsquerschnitt
Kernphysik
Detektoren und Beschleuniger
Teilchenphysik
2
Beschleuniger und Teilchendetektoren
Warum Teilchenbeschleuniger?
•  E=mc2: Hohe Energien, um schwere (neue) Teilchen zu erzeugen.
•  λ=h/p: Untersuchung von Strukturen und Kräften bei kleinen Abständen
Teilchenbeschleuniger:
- geladene Teilchen im E-, B- Feld.
 dp
  
F=
= e( E + v × B),
dt


p = mγv
- Für vàc B-Feld viel effektiver als E-Feld*) ! (1 GV/m entspricht 3 Tesla!)
*) typische Werte maximale Feldstärken: E: 10-50 MV/m, B: 5-10 Tesla
Elemente von Teilchenbeschleunigern:
1. 
Teilchenquelle (Injektor)
2. 
Beschleunigung durch elektrische Felder
3. 
Ablenkung (Kreisbahn) durch magnetische Felder („Dipole“)
4. 
Fokussierung durch magnetische Felder („Quadrupole“ und Korrekturmagnete)
Beschleuniger
2.
Für kleine Energien (<100 MeV): Gleichspannung (van de Graaff)
Für hohe Energien: Hohlraumresonatoren – RF-Kavitäten
- normal leitende: Bei hohen Frequenzenà hohe Felder
(bis 100 MV/m). Verluste àEnergieverbrauch
RF-Kavität
- supraleitende: Felder bis ~40 MV/m
Tesla Entwicklung (DESY) à für ee-Linear Collider
(nächster Großbeschleuniger!)
3. 
Dipolmagnete: wegen Stromverbrauch supraleitend.
Bsp: B=5.2 T (HERA p: 920 GeV - 6.3 km Umfang)
B=8.3 T (LHC p: 7000 GeV - 27 km Umfang)
Krümmungsradius: r =
4. 
Quadrupol „Linsen“
Horizontal fokussierender Quadrupol
p
p[GeV / c]
→ r[m] =
qB
0.3q[e]B[T ]
Fokussierung nur in einer Ebene
Defokussierung in anderer Ebene
F
Beschleuniger…
Beschleunigeranlage:
Teilchenquelle à Vorbeschleuniger
à Hauptbeschleuniger/
Speicherring, an dem Experimente
gemacht werden
Beschleuniger
Fortschritte bei der Entwicklung von
Beschleunigern für
pp und e+e- (Energie vs. Jahr):
Beschleunigte Ladung strahlt Energie ab
à Synchrotronstrahlung
abgestrahlte Leistung:
(Energie x B-Feld)2 / (mc2)4 )
à  „Synchrotronlicht“ für Forschung +
industrielle Anwendungen
à  Elektronen verlieren in
Kreisbeschleuniger so viel Energie,
dass ab ~200GeV Linearbeschleuniger
einzige Möglichkeit,
à  um hohe Energien zu erreichen: pSpeicherringe (aber experimentell viel
schwieriger, insbesondere für
Präzisionsmessungen !) Grund:
Komplexe Struktur des Protons.
Protonen sind keine Elementarteilchen.
PETRA III @ DESY
Vergleich Tevatron-LHC
location
start
collider type
experiments (top)
√s
L (instantaneous)
L (integrated)
σ(tt) expected
tt events / 50 pb-1
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Fermilab, Chicago,USA CERN, Geneve, Switzerland
1987
2008 (restart 2010)
proton – anti-proton
proton – proton
CDF, D0
ATLAS, CMS, ALICE, LHC-B
1.8 GeV→ 1.96 GeV
7 TeV → 8 TeV (→ 14 TeV)
30
32
-2
-1
10 → 3x10 cm s
1034 (4x1032 for 2010) cm-2s-1
≈ 10 fb-1
≈ 300/3000 fb-1
≈ 7 pb
≈ 850 pb (7 TeV: 160 pb)
≈ 350
≈ 42,500 (8,000)
8
Detektoren
Particle detection
§  The detector sees only “stable” particles (cτ > 500µm)
§  the 8 most frequently produced are:
§  e±,µ±,γ,π±,K±,K0,p±,n
§  In order to detect a particle, it has to interact - and deposit
energy
§  Ultimately, the signals are obtained from the interactions of
charged particles
§  Neutral particles (photons, neutrons) have to transfer their
energy to charged particles to be measured
è calorimeters
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Detection and identification of particles
§  Detection = particle counting (is there a particle?)
§  Identification = measurement of mass and charge of the particle
(most elementary particle have Ze=±1)
How:
- charged particles are deflected by B fields such that:
ρ
ρ=
¤ B
p
p γ m βc
∝ = 0
ZeB Z
Z
p = particle momentum
m0 = rest mass
βc = particle velocity
- particle velocity measured with time-of-flight method
β∝
t1
t2
1
Δt
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Detection and identification of particles
§  Detection = particle counting (is there a particle?)
§  Identification = measurement of mass and charge of the particle
(most elementary particle have Ze=±1)
How:
- kinetic energy determined via a calorimetric measurement
E
kin
= (γ −1) m0 c
2
γ=
1
1+ β 2
- for Z=1 the mass is extracted from Ekin and p
- to determine Z (particle charge) a Z-sensitive variable is e.g.
the ionization energy loss
dE Z 2
∝ 2 ln ( aβ 2γ 2 )
dx β
a = material-dependent constant
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Interaction of particles and γ-radiation with matter
Different type of interactions for charged and neutral particles
Difference “scale” of processes for electromagnetic and strong
interactions
§ 
§ 
§ 
§ 
Detection of charged particles
Detection of γ-rays
Detection of neutrons
Detection of neutrinos
(Ionization, Bremsstrahlung, Cherenkov …)
(Photo/Compton effect, pair production)
(strong interaction)
(weak interaction)
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Energieverlust von Teilchen in Materie
Energieverlust von Teilchen in Materie

Ziel: präzise Messung von p ,E, m der in Wechselwirkung erzeugten Teilchen
Nachweis nur über Wechselwirkung mit Materie à ein Teil der Energie des
Teilchens wird in elektrisches oder optisches Signal umgewandelt
à Messung beeinflusst Energie und Bahn der Teilchen
Bethe-Bloch-Formel:
Energieverlust (schwerer >> me) geladener Teilchen
2 "
2 2 2
dE
Z
z
2m
c
C%
2
2
2
e β γ
−
= 2π N a re mec ρ
ln(
Wmax ) − 2 β − δ (βγ ) − '
2$
2
dx
Aβ #
I
Z&
=0.1535 MeV cm2/g
I
Z
A
ρ 
δ
C
Absorber medium
= mean ionization potential
= atomic number of absorber
= atomic weight of absorber
= density of absorber
= density correction
= shell correction
Fundamental constants
re=classical radius of electron
dE Z 2
2 2
∝ 2 ln aβ γ
me=mass of electron
dx β
Na=Avogadro’s number
c =speed of light
Incident particle
z = charge of incident particle
β  = v/c of incident particle
γ = (1-β2)-1/2
Wmax= max. energy transfer
in one collision
(
)
Energieverlust von Teilchen in Materie
Bethe-Bloch-Formel:
1/β 2 Abfall
Minimum bei βγ = 3
dE Z 2
∝ 2 ln ( aβ 2γ 2 )
dx β
Anwachsen ~ ln β2γ2
Energieverlust von Teilchen in Materie
Bremsstrahlung
Energieverlust von Teilchen in Materie
Energieverlust leichter Teilchen( me)
dE/dx (Bethe-Bloch) + Bremsstrahlung
(Feld des Kerns dominiert – „klassische“
Erzeugung der Röntgen-Strahlung)
à  σ ~ EeZ2
−
dE
dx
=
Brems
Bremsstrahlung
E
X0
X0 = Strahlungslänge
à  Cherenkov Effekt elektromagnetische
„Schockwelle“ wenn Geschwindigkeit v
eines Teilchens größer als Lichtgeschwindigkeit im Medium v > c/n à
Cherenkov Licht auf Kegel θc
à Teilchenidentifikation
−
dE
dx
∝ z 2 sin 2 θ c
Cherenkov
Cherenkov Effekt
cosθC=1/(nβ)
βc Teilchengeschwindigkeit
c/n: Lichtgeschwindigkeit im Medium
Energieverlust von Photonen in Materie
Wechselwirkungen von Photonen:
Photoeffekt (PE): Photon wird absorbiert und schlägt Elektron aus Atomhülle
Compton-Effekt: Streuung Photon an
einem Elektron der Atomhülle
Paar (e+e-) Erzeugung im elektrischen
Feld des Atomkerns
Energieverlust von Photonen in Materie
Totale Wirkungsquerschnitte für WW von Photonen und Kohlenstoff und Blei
Photo-E.
Compton E.
Paarerzeugung
Teilchendetektoren
Spurkammern zur Messung der Bahn geladener Teilchen
à Radius R im Magnetfeld à Teilchenimpuls ⊥ B
p⊥[GeV/c] = 0.3 z R[m] B[T]
à Ionisation à Energieverlust (dE/dx)
R
Photographische Emulsionen
- genausten Detektoren (< 1µm Ortsauflösung)
- historisch: viele bedeutende Entdeckungen (µ-Lepton, π-Meson, …)
- heute: kurzlebige Teilchen – e.g. τ-Identifkation im OPERA Experiment
Nebel- und Blasenkammer (Bilder à e.g. Entdeckung Positron)
- unterkühltes Gas/überhitze Flüssigkeit à Ionen bilden
„Kondensationskeime“ à Photographien à Auswertung mit
Mustererkennung
- dominierte Teilchenphysik bis in die frühen 80iger Jahre
- vollständiges Bild von Wechselwirkung mit ausgezeichneter Präzision
- nicht geeignet für „seltene“ Ereignisse und an Speicherringen
¤
B
Detector quiz:
which principle is used in these pictures?
Detektoren
Proportional und Driftkammer
geladenes Teilchen à Elektronen/Ionen im
Gas der Driftkammer à durch E-Feld Drift
zum Anodendraht à Verstärkung à Signal
Messung der Driftzeit à Ortsbestimmung
viele verschiedene Varianten – Bestandteil jedes Großdetektors
Begrenzung: Messgenauigkeit ~ 0.1mm
Halbleiterdetektoren
p-n Diode in Sperrrichtung gepolt à
Verarmungszone ohne freie Ladungsträger
E
à Teilchendurchgang à e-Loch-Paare à
Ladungen induzieren Signale in Auslesestreifen
Messung Ladungsverteilung à Ortsbestimmung
möglich dank der hoch-entwickelten Halbleitertechnologie + Mikroelektronik
viele verschiedene Varianten – Bestandteil jedes Großdetektors
Messgenauigkeit bis 0.002 mm (2µm)
Begrenzung: Kosten + Größe Detektoren
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Detektoren: Kalorimeter
Kalorimeter zur Messung der Energie neutraler und geladener Teilchen durch
Absorption der gesamten Energie eines Teilchens: Signal ∝ Energie
Elektromagnetische Kalorimeter
Schauer durch Prozesse:
e(Z)à e+γ (Bremsstrahlung)
γ (Z)à e+e- (Paarbildung E>2mc2)
Verdopplung der Anzahl der Teilchen (e+,e-,γ) nach einer Strahlungslänge X0
Homogene und Stichproben-Kalorimeter
Auflösung dE/E ~ (1 … 20)%/√(E[GeV])
à bei hohen Energien besser als Impulsmessung mit Spurdetektoren im B-Feld
Hadronische Kalorimeter
Schauer durch hadronische Prozesse:
Hadron+Aà viele neue Teilchen
à viel komplizierter als em Schauer
à mehr Absorberdicke notwendig
à schlechtere Energieauflösung:
dE/E ~ (30 … 100)%/√(E[GeV])
Ein “typischer” HEP Detektor
Zwiebelschalenprinzip
Spursystem
Kalorimeter
(im Magnetfeld)
Stosspunkt
Innere
Tracking Lagen
aus Silizium
MyonenDetektor
Induziert Shower
in dichtem Material
EM Lagen
Mit feiner
Hadronische
Segmentierung
Lagen
Absorber-Material
Electron
Jet
Muon
Ablenkungswinkel → Impuls
Experimentale Signatur
eines Quarks oder
Gluons
“Fehlende Transversale Energie”
Signatur eines nicht- (oder schwach-) wechselwirkenden
Teilchens. z.B. Neutrino.
Der Compact Muon Solenoid Detektor
CMS Online Animation
https://cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/PublicEPPOGDocDB/RetrieveFile?
docid=97&version=1&filename=CMS_Slice_elab.swf
26
Beispiel: Der CMS Silizium Tracker
Größter Si Tracker der Welt: 220qm Si!
3 Lagen Pixel
Reine
Silizium-Lösung
10 Lagen Streifensensoren (Barrel-Bereich)
9 Endkappen-Räder
25k Streifensensoren, 75k Auslesechips, Fast 10
M Auslesekanäle àIndustrielle Fertigung nötig.
Installation des CMS Spurdetektors
CMS Silizium Sensoren
Zusammenfassung: Beschleuniger und Detektoren
• hohe Energien è neue Teilchen mit großer Massen (E = m c2)
è hohe Ortsauflösung (λ = h/p) für Strukturuntersuchungen
• Linear-Beschleuniger und Ring-Beschleuniger (erreichbare Energien,
Synchrotronstr.)
• Teilchennachweis durch (EM) Wechselwirkung mit Detektormaterial è Messsignal
• Energieverlust durch elektromagnetische Wechselwirkung:
• „schwere“ geladene Teilchen: Bethe-Bloch Formel
• „leichte“ geladene Teilchen: außerdem Bremsstrahlung
• geladene Teilchen mit vTeilchen > c/n: Cherenkov-Effekt
• Photonen: Photoeffekt, Compton-Effekt, Paar-Erzeugung
• Spurdetektoren für geladene Teilchen (Impuls/Ladung aus Kreisbahn im B-Feld)
• Photoemulsionen
• Nebel- und Blasen-Kammern
• Proportional- und Drift-Kammern
• Halbleiterdetektoren
• Energiemessung durch Absorption der gesamten Energie (Teilchenschauer)
• elektromagnetische Kalorimeter – Schauer durch elektromagn. Prozesse s.o.
• hadronische Kalorimeter - Schauer durch hadronische u. elektromagn. Prozesse
• Großdetektoren: zwiebelschalenförmige Anordnung verschiedener Sub-Detektoren
mit jeweils speziellen Messaufgaben