3. Hadronische Kalorimeter - Institut für Experimentalphysik I
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Institut für Experimentalphysik I Kalorimetrie – Hadronische Kalorimeter Seminar: Teilchendetektoren SoSe 14 Seminarleiter: Prof. Dr. U. Wiedner Referentin: Laura Rueß Inhaltsverzeichnis 1. Kalorimetrie 2. Unterscheidung von Kalorimetern 3. Hadronische Kalorimeter I. Aufbau II. Funktionsweise/ Prozesse III. Schauerbeschreibung IV. Energieauflösung 4. Beispiel: ATLAS 5. Zusammmenfassung Laura Rueß| Teilchendetektoren |Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 | 2 1. Kalorimetrie Ursprünglich: Kalorimeter als Gerät zur Wärmebestimmung ( lat. calor, Wärme) Teilchenphysik: Detektor zur Energiemessung • Beruht auf Absorption von Teilchen • Einfallende Teilchen erzeugen Sekundär/ Tertiärteilchen Teilchenschauer • Die Einfallsenergie kann in verschiedenen Formen deponiert werden (z.B. Anregung von Atomen, Ionisation) • Das erzeugte Signal ist dabei proportional zur Teilchenenergie Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 3 1. Kalorimetrie Motivation: Kalorimeter sind Bestandteile von Detektoren für Teilchen ATLAS Detektor am CERN • gebaut, um z.B. nach dem Higgs-Boson zu suchen • es wird dafür die Energie der erzeugten Jets nach Proton + Proton Kollision gemessen Abb. 1: Entstehung Higgs-Boson Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter |SoSe 14| 09.05.2014 4 2. Kalorimeter Unterscheidung nach: 1. Bauart Homogene Kalorimeter: der gesamte Detektor ist sensitiv Sampling Kalorimeter: Abwechselnde Anordnung Absorber- und Detektormaterial Abb. 2: Schema Sampling Kalorimeter Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter |SoSe 14| 09.05.2014 5 2. Kalorimeter 2. Art der zu detektierenden Teilchen Elektromagnetische Kalorimeter: Elektronen, Positronen, Photonen Hadronen Kalorimeter: Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen ( z.B. Protonen, Neutronen, Kaonen, Pionen) Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter |SoSe 14| 09.05.2014 6 3. Hadronische Kalorimeter – Aufbau Aufbau: • nach der Sampling-Methode • Bsp. Sandwich-Kalorimeter ( ebene Platten hintereinander aufgestellt) Absorber: • Material mit hoher Dichte ( Fe, Pb, U) Sensitive Einheit: • Gas-Detektoren, Flüssig-Ionisationskammern, Szintillatoren Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 7 3. Hadronische Kalorimeter – Funktionsweise Hadronische Schauer: • Folge von Wechselwirkungsprozessen zwischen Hadronen und Nukleonen des Absorbermaterials, dabei sind auch el. mag. Teilschauer möglich • Wechselwirkungen enden, wenn die Energie zur Erzeugung weiterer Hadronen nicht ausreicht Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 8 3. Hadronische Kalorimeter – Prozesse Prozesse: 1. Erzeugung Mesonen (K, π) und Baryonen (n,p) 2. Kernprozesse: a) Spallation b) Kernanregung und Verdampfung c) Kernspaltung Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 9 3. Hadronische Kalorimeter – Prozesse 1. Erzeugung Mesonen (K, π) und Baryonen (n,p): • diese Zerfallen oder lösen weitere Kaskaden aus Abb. 3: Hadronen Kaskade Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 10 3. Hadronische Kalorimeter – Prozesse 2. Kernprozesse a) Spallation: • Kernumwandlung durch hochenergetisch, stark wechselwirkendes Teilchen • Elementarteilchen und α-Teilchen werden emittiert • Targetkern befindet sich anschließend in angeregtem Zustand • Grundzustand wird über Kernspaltung oder Kernverdampfung erreicht Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 11 3. Hadronische Kalorimeter – Prozesse b) Kernanregung und Verdampfung • durch inelastischen Stoß wird Kern angeregt • der Kern emittiert anschließend Kernbausteine bis die Anregungsenergie kleiner als die Bindungsenergie der Kernbausteine wird Kernverdampfung • Restenergie bis zum Grundzustand wird über Emission von Photonen abgegeben Abb. 4: Kernverdampfung Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 12 3. Hadronische Kalorimeter – Prozesse c) Kernspaltung • Zerfall des Kerns nach Anregung oder Neutroneneinfang in (zwei) Kernteile unter Energieabgabe • bei sehr hohen Anregungsenergien können weitere Hadronen entstehen Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 Abb. 5: Kernspaltung 13 3. Hadronische Kalorimeter – Schauer in Luft • Protonschauer • Kaskade der kosmischen Strahlung in Luft • E= 1 TeV Abb. 6: Teilchenschauer Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 14 3. Hadronische Kalorimeter – Schauer Schauerbeschreibung: • π-Schauer in Eisen • Schauertiefe steigt mit zunehmender Energie • Anzahl der Schauerteilchen steigt ebenfalls mit zunehmender Energie Abb. 7: Pionenschauer Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 15 3. Hadronische Kalorimeter – Schauer Absorptionslänge 𝝀𝒂 : 1. Schauer gilt als ausgestorben, wenn im Mittel <1 Schauerteilchen in Tiefe t 50 GeV π-Schauer in einem Fe-SzintillatorKalorimeter: ca. 120 cm Fe 2. Containment: ein bestimmter Bruchteil (95%) der Primärenergie muss bis t deponiert sein Abb. 8: Schauerlänge 50 GeV π-Schauer in einem Fe-SzintillatorKalorimeter: ca. 70 cm Fe Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 16 3. Hadronische Kalorimeter – Energieauflösung 1. Energieauflösung: abhängig von: 1. Photoelektron-Statistik im Detektor 2. Schauerverluste (Leakage) 3. Sampling Fluktuation 4. Landau Fluktuation 5. Spurlängen Fluktuation generell deutlich schlechtere Energieauflösung als bei el. mag. Kalorimetern Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 17 3. Hadronische Kalorimeter – Energieauflösung 1. Photoelektron-Statistik im Detektor - Ineffizienz bei der Umwandlung der deponierten Energie im el. Signal - Übertragungsverluste 2. Schauerverluste (Leakage) - durch endliches Volumen des Detektors - nicht alle Energien können detektiert werden (Bindungsenergieverluste) - Erzeugung von Myonen und Neutrinos Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 18 3. Hadronische Kalorimeter – Energieauflösung 3. Sampling Fluktuation - nur die Energie messbar die in aktiven Schichten die Energie abgibt 4. Landau Fluktuation - asymmetrische Verteilung des Energieverlustes - wenig Energieverlust pro Schicht Landau Verteilung stark ausgeprägt 5. Spurlängen Fluktuation - Vielfachstreuung möglich - Wege der Teilchen sind somit unterschiedlich Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 19 3. Hadronische Kalorimeter – Energieauflösung Energieauflösung ATLAS: Abb.9 : Energieauflösung ECal Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 Abb. 10: Energieauflösung HCal 20 3. Das Beispiel des ATLAS – Detektors Allgemeines: • größter jemals gebauter Teilchendetektor an einem Beschleuniger • viele verschiedene Fragen sollen geklärt werden unter anderem die Suche nach dem Higgs-Boson gute Vermessung der Teilchen nötig ( Elektronen, Tau-Leptonen, Myonen, Hadronen- Jets) Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 21 3. Das Beispiel des ATLAS - Detektors Gewicht = 7000 t Abb. 11: Aufbau ATLAS Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 22 3. Das Beispiel des ATLAS - Detektors Nachweis verschiedener Teilchen im Detektor: Abb. 12: Teilchen in ATLAS Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 23 3. Das Beispiel des ATLAS - Detektors HCal: • Zentralbereich: Fe-Absorber Kalorimeter mit Plastik Szintillator als aktives Material • Endkappen: LAg Kalorimeter mit Cu Absorberplatten • Auslesen über: Lichtleitkabel mit Wellenlängenschieber, Photomultiplier Abb. 13: Segmente HCal Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 24 3. Das Beispiel des ATLAS - Detektors Abb. 14: Szintillator HCal Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 Abb. 15: Teil des HCal 25 4. Zusammenfassung 1. Kalorimeter • Aufbau • Prozesse • Wozu sie genutzt werden • Energieauflösung 2. Das Beispiel ATLAS Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 26 Fragen Fragen? Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 27 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 28 Literatur • • • • • • • • • Kleinknecht, Konrad (1992): Detektoren für Teilchenstrahlung. Stuttgart: Teubner. Grupen, Claus (1993): Teilchendetektoren. Mannheim: BI- Wiss.- Verlag. Wollersheim, Hans-Jürgen (2004): Kernphysik Skipt. Verfügbar unter: http://webdocs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/kern.html [02.05.2014]. Jakobs, Karl (2010): ATLAS. Der Detektor. Verfügbar unter: http://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/experimente/teilchenbeschleuniger/lhc/lhcexperimente/atlas/atlas-detektor/ [02.05.2014]. CERN (1996): TDR Tile Calorimeter. Verfügbar unter: http://atlas.web.cern.ch/Atlas/SUB_DETECTORS/TILE/TDR/TDR.html [04.05.2014]. CERN (o.J.): ATLAS Photos. Verfügbar unter: http://www.atlas.ch/photos/calorimeters-combinedendcap.html [04.05.2014]. KIT (2013): Luftschauersimulation mit CORSIKA. Verfügbar unter: http://www.ikp.kit.edu/corsika/ [04.05.2014]. LHC (o. J.): ATLAS Experiment. Verfügbar unter: http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=atlas [04.05.2014]. Uni Brmen (o.J.): Das Kalorimeter. Verfügbar unter: http://www.idn.unibremen.de/cvpmm/content/elementarteilchenphysik/show.php?modul=26&ident=720&file=57&right=lev el13c_6_right.html [04.05.2014]. Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 29 Literatur • • Universität Stockholm (2013): ATLAS Tile Calorimeter. Verfügbar unter: http://webdocs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/kern.html [06.05.2014]. Lippmann, Christian (2012): Particle Identification. Verfügbar unter: http://inspirehep.net/record/884672/plots [06.05.2014]. Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter | SoSe 14| 09.05.2014 30 Abbildungen • Titelbild: CERN (o.J.): ATLAS Tile Calorimter. http://www.atlas.ch/photos/calorimeters-combinedendcap.html [04.05.2014]. • Abb. 1: Entstehung Higgs-Boson: eigne Darstellung • Abb. 2: Uni Bremen (o.J.): Schema Sampling Kalorimeter. http://www.idn.unibremen.de/cvpmm/content/elementarteilchenphysik/show.php?modul=26&ident=720&file=57&right= level13c_6_right.html [04.05.2014]. • Abb. 3: Grupen (1993, 309): Hadronen Kaskade. • Abb. 4: Wollersheim (2004): Kernverdampfung. http://webdocs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/kern.html [04.05.2014]. • Abb. 5: Wollersheim (2004): Kernvspaltung. http://webdocs.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/kern.html [04.05.2014]. • Abb. 6: KIT (2013):Teilchenschauer. http://www.ikp.kit.edu/corsika/ [04.05.2014]. • Abb. 7: Grupen (1993, 315): Pionenschauer. Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter |SoSe 14| 09.05.2014 31 Abbildungen • Abb. 8: Grupen (1993, 317): Schauerlänge. • Abb. 9: Lippmann (2012): Energieauflösung Ecal. http://inspirehep.net/record/884672/plots [06.05.2014]. • Abb. 10: Lippmann (2012): Energieauflösung Hcal. http://inspirehep.net/record/884672/plots [06.05.2014]. • Abb. 11: LHC (o.J.): Aufbau ATLAS. http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=atlas [04.05.2104]. • Abb. 12: Teilchen.at (o. J.): Teilchen in ATLAS. http://www.teilchen.at/kdm/360 [04.05.2014]. • Abb. 13: Universität Stockholm(2013): ATLAS Tile Calorimeter. http://bub.physto.se/Atlas/TileCal/bildarkiv/Tile1.png [06.05.2014]. • Abb. 14: CERN (o.J.): Szintillator HCal. http://www.atlas.ch/photos/calorimeters-tile-barrel.html [06.05.2014]. • Abb. 15: CERN (o.J.): Teil des HCal. http://www.atlas.ch/photos/calorimeters-tile-barrel.html [06.05.2014]. Laura Rueß| Teilchendetektoren | Hadronische Kalorimeter |SoSe 14| 09.05.2014 32
