Teilchenidentifizierung (PID)

Teilchenidentifizierung (PID)
Seminar: Teilchendetektoren
SoSe14
Seminarleiter: Prof. Dr. Wiedner
Betreuer: Dr. Torsten Schröder
Referent: Christian Hausen
Gliederung
1. Einleitung
2. Verfahren der PID
2.1 TOF
2.2 Energieverlustmessung (dE/dx)
2.3 Elektromagnetisches Kalorimeter
2.4 Myonendetektor
3. PID in aktuellen Experimenten
4. Quellenverzeichnis
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1. Einleitung
• Welche Teilchen können registriert werden
(→ Lebensdauer)?
 𝑒 +/− , 𝜋 +/− , 𝐾 +/− , 𝑝, 𝑝, 𝜇 +/−
• Vorher können andere, kurzlebige Teilchen
entstanden sein
• Bsp.
𝑒 + 𝑒 − → 𝜓(3770) → 𝐷0 𝐷0 → 𝐾 − 𝜋 + 𝐾 + 𝜋 −
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Einleitung
• Wie rekonstruiert man die kurzlebigen
Teilchen?
Häufigkeit
 Bestimmung der 4er-Impulse
 Energiebestimmung über m, p:
𝐸 2 = 𝑝2 𝑐 2 + 𝑚2 𝑐 4
 Nutze die Invarianz der 4erImpulsquadrate, um die
Massenverteilung zu erhalten
 Masse der jeweils vorherigen
Teilchen ablesbar
𝑚𝐾𝜋 𝑖𝑛
𝑀𝑒𝑉
4
𝑐²
Einleitung
• Wie identifiziert man die
langlebigen Teilchen?
• Masse m und Ladung
q charakterisieren ein Teilchen
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Einleitung
• Wie identifiziert man die
langlebigen Teilchen?
• Masse m und Ladung
q charakterisieren ein Teilchen
q und Impuls p schon bekannt
• Ziel der PID: Bestimmung der
Masse m
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2. Verfahren der PID
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2.1 TOF („time of flight“)
• p bekannt
• Messe Flugzeit t, Flugstrecke s
ist bekannt, wenn vorher die
Spur des Teilchens
rekonstruiert wurde
→ Berechne Geschwindigkeit v
Berechnung von m möglich:
𝑝 = 𝑚0 𝛾𝑣
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TOF - Einsatz
• Flugzeitdifferenz zweier
Teilchen der Massen 𝑚1 , 𝑚2 :
∆𝑡 =
𝐿𝑐
2
(𝑚
1
2𝑝2
− 𝑚22 )
 Bei großen Impulsen wird die
Zeitauflösung schlechter
 Für große p werden sehr
lange Detektoren benötigt
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TOF - Einsatz
• Unterscheidung zwischen Pion und Kaon:
– 𝑚𝜋 ≈
𝑀𝑒𝑉
140
, 𝑚𝐾
𝑐²
≈
𝑀𝑒𝑉
500
𝑐²
– Mit einem angenommenen Impuls von
𝐺𝑒𝑉
𝑝=1
und einer Detektorlänge von
𝑐
L = 2𝑚 wird folgende Zeitauflösung
erforderlich:
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2.2 Energieverlustmessung - Grundprinzip
• Teilchen wechselwirkt beim Durchgang mit Materie
(Ionisation, Bremsstrahlung)
• Energieverlust wird beschrieben durch Bethe-BlochFormel:
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Energieverlustmessung - Grundprinzip
• Bethe-Bloch-Formel gilt nicht für einfallende Elektronen
• Stattdessen gilt die Berger-Seltzer-Formel:
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Beiträge zum Energieverlust
Beiträge zum relativen Energieverlust für
𝑒 + 𝑢𝑛𝑑 𝑒 −
Energieverlust für ein Myon in Kupfer
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Energieverlustmessung - Drahtkammer
• Einfallendes Teilchen ionisiert die Gasatome
in der Kammer
• Die ausgelösten Elektronen bewegen sich in
einem angelegten E-Feld zum Anodendraht
• In Anodennähe lösen die stark
1
beschleunigten 𝑒 − (da 𝐸~ ) weitere 𝑒 − aus
𝑟
→ Elektronenlawine
• Registrierte Signalhöhe ist proportional zur
Anzahl der ausgelösten Primärteilchen, die
Zahl der Ionenpaare ist wiederum
proportional zum Energieverlust des
einfallenden Teilchens
→ Proportionalzähler
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Drahtkammer - Ortsbestimmung
• Vielzahl an Drähten ermöglicht zudem Spurrekonstruktion
• Ortsauflösung etwa halber Drahtabstand
 höhere Drahtdichte verbessert die Ortsauflösung
• Für die genauen Ortskoordinaten werden mehrere leicht versetzt ausgerichtete
Drähte verwendet
→ Vieldrahtkammer
• Driftkammern als Weiterentwicklung der Drahtkammern bieten verbesserte
Ortsauflösung (~50𝜇𝑚) und eignen sich ebenso zur PID
• Gemessen wird hier die Driftzeit, die Zeit, die die ausgelösten Elektronen
brauchen, um vom Ort der Ionisation zur Anode zu driften
• Bei bekannter Driftgeschwindigkeit lässt sich auf den Ort der Ionisation
schließen
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Energieverlustmessung - Drahtkammer
Richtwerte
• Häufig verwendetes Gas: Ar (wegen hoher
Elektronenaffinität)
• Angelegte Hochspannung: 𝑈 ≈ (3 − 4)𝑘𝑉
• Dicke des Anodendrahtes: ~ 20𝜇𝑚
• Elektronenvervielfachung: im Bereich von 105
• Anodendrähte etwa im Abstand von 2𝑚𝑚
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Driftkammer im BaBar-Detektor
Technische Daten
• Außenradius: 80cm, Innenradius:
22,5cm
• Etwa 7000 Signaldrähte, Dicke 20𝜇𝑚
• Ortsauflösung: (125 − 150)𝜇𝑚
• Auch hier nicht nur
Spurrekonstruktion, sondern auch
Energieverlustmessung aus
Signalhöhe
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Energieverlustmessung - Halbleiterdetektor
• Einfallendes Teilchen erzeugt
Elektron-Loch-Paare in der
ladungsfreien Zone
• Ionenpaar bewirkt einen Stromfluss
• Stromstärke als Maß der Ladung
(proportional zur Anzahl der Ionen)
kann als Maß der abgegebenen
Energie verwendet werden
• Vorteil: hohe Energieauflösung, da
nur etwa 1eV zur Erzeugung eines
Elektron-Loch-Paares benötigt wird
(Vgl.: ca. 30eV, um Gasatom zu
ionisieren)
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Energieverlustmessung - PID
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Energieverlustmessung - Problem
• Energieverlust durch WW mit
Materie ist ein statistischer
Prozess
• Messunsicherheiten (Rauschen)
 Schwankungen
• Viele Messungen nötig, um
Detektor zu kalibrieren
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2.3 Elektromagnetisches Kalorimeter
• Erfasst werden Teilchen, die über die elektromagnetische Kraft mit
Materie wechselwirken und dadurch Teilchenschauer auslösen
• Hauptziel: Ortsbestimmung und Bestimmung der Teilchenenergie
• Aber: auch eine Unterscheidung zwischen
(i) Hadronen
(ii) Elektronen, Positronen, Photonen
ist möglich!
• Form der entstehenden Teilchenschauer gibt Aufschluss über die
Sorte des detektierten Teilchens
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Elektromagnetisches Kalorimeter
• Ursache für die Verschiedenartigkeit der Teilchenschauer ist die
verschiedene Wechselwirkung der Teilchen:
– (i) Ionisation, starke WW
– (ii) Bremsstrahlung, Paarerzeugung
(Hadronen)
(Elektronen, Positronen, Photonen)
• Für die im Kalorimeter deponierte Energie gilt:
𝐸𝑘𝑎𝑙

𝑝𝑆𝑝𝑢𝑟
< 1 für Hadronen
𝐸𝑘𝑎𝑙

𝑝𝑆𝑝𝑢𝑟
= 1 für Elektronen, Positronen, Photonen
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Elektromagnetisches Kalorimeter
• Unterscheidungskriterien:
Amplitudenverhältnis zwischen vorderem und hinterem Teil des
Kalorimeters
Eindringtiefe, bei der die erste WW auftritt
Breite der Schauer
Schauer-Schwerpunkt
• Beachte: Die Kriterien sind teilweise stark korreliert!
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Elektromagnetisches Kalorimeter
Amplitudenverhält- Erste WW
nis vorderer Bereich
zu hinterem Bereich
Breite des Schauers
SchauerSchwerpunkt
Elektron
Groß
Bei geringer
Eindringtiefe
Schmal
Höher
Pion
Klein
Bei großer
Eindringtiefe
Breit
Tiefer
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Elektromagnetisches Kalorimeter
• Ausbreitung einer Teilchenkaskade in
einem Sampling-Kalorimeter
• Abwechselnd Schichten aus
Absorbermaterial (Pb) und
Szintillatoren
• Im Pb finden die WW statt (hier:
Bremsstrahlung und Paarbildung, da
ein Elektron einfällt)
• Die Szintillatorschichten vermessen
die Kaskade abhängig von der
Eindringtiefe
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Elektromagnetisches Kalorimeter
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2.4 Myonendetektor
• Myonen
– haben eine verhältnismäßig hohe Lebensdauer (2 ∙ 10−6 𝑠)
 Myonendetektoren befinden sich außen an den Detektorwänden
– wechselwirken nicht hadronisch, verlieren wenig Energie durch
Bremsstrahlung
 Eisenwände absorbieren alle anderen Partikel
geringen Raten können auch 𝐾𝐿0 und
• In
𝑛 registriert werden
• Nachweis der
– Myonen: Ionisation
– 𝐾𝐿0 , 𝑛 : Teilchenschauer (vgl. Kalorimetrie)
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Myonendetektor im BaBar-Experiment
• Stahlplatten zur Rückführung des BFeldes werden als Myonenfilter
genutzt
• 18 Lagen von (2-10)cm dicken
Stahlabsorbern, ca. 3cm Abstand
zwischen den Absorberlagen
• Zur Identifizierung werden
Gasdetektoren genutzt
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Myonendetektor im BaBar-Experiment
• Resistive Plate Chamber (RPC)
• Isolierende Schicht aus Bakelit
• Außen Kondensatorplatten, die mit einer
Spannung knapp unter der
Durchschlagsgrenze aufgeladen werden
• Durchschlag auf Teilchenbahn
• Registriert wird der Spannungsabfall
• Nachweiswahrscheinlichkeit für Myonen:
 90% für 1,5
𝐺𝑒𝑉
𝑐
<𝑝<3
𝐺𝑒𝑉
𝑐
• Missidentifikation (identifiziere Pion als
Myon): 6 − 8 %
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Benötigte Detektorlänge in Abhängigkeit des Impulses
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3. PID in aktuellen Experimenten
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Atlas-Detektor
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Der PANDA-Detektor
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4. Quellenverzeichnis
•
•
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•
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•
Grupen, Claus: „Teilchendetektoren“
Kleinknecht, Konrad: „Detektoren für Teilchenstrahlung“
Povh, Rith, Scholz, Zetsche: „Kerne und Teilchen“
Amsler, Claude: „Kern- und Teilchenphysik“
Lohrmann, Erich: „Elementarteilchenphysik“
Particle Data Group
PANDA (Website)
„Nuclear Instruments and methods in Physics Research“ A479: „The BaBar
Detector“
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Quellenverzeichnis
• Lippmann, Christian: „Particle identification“
• Deppermann, Thomas: „Simulation und Messung der Lichtintensitäten des
Lichtpulsersystems für den BaBar-Detektor“ (Diplomarbeit)
• KuT-Vorlesungen von Herrn Prof. Wiedner
• Heckmann, Jörg: „Aufbau und Test eines Lichtpulser-Prototyps für das BaBarKalorimeter“ (Diplomarbeit)
• Jansen, Ulrich: „Nachweis von Elementarteilchen in Teilchendetektoren“
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Vielen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!
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