ppt - Ruhr-Universität Bochum
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Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik Gliederung 1. Grundlagen des COMPASS Experiments 2. Strahlführung 3. Polarisiertes Target 4. Dilutionkryostat 5. Detektion und Identifikation von Teilchen 2 COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy • Festkörper Target-Experiment mit zweistufigem Spektrometer 3 COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 4 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target • Nukleonen besitzen Substruktur Quarks – beschreiben viele Nukleoneneigenschaften korrekt Dilutionkryostat Detektion • Spin der Nukleonen jedoch nicht erklärbar Nur 30% Beitrag des Quark-Spins zum Nukleonenspin Gluonen und Bahndrehimpulse liefern auch einen Beitrag 5 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Ziel des Myonenprogramms: Messung des Gluonenspin-Beitrags zum Nukleonenspin 6 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target • Untersuchen der Substruktur mittels tiefinelastischer Leptonen-NukleonStreuung Dilutionkryostat Detektion 7 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target • Differentieller Wirkungsquerschnitt (experimentell): Dilutionkryostat Detektion • Differentieller Wirkungsquerschnitt (theoretisch): 8 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Leptonischer Tensor: Mit QED berechenbar • Hadronischer Tensor: Parametrisierung durch F1, F2, g1, g2 • Beide Tensoren sind Summen aus spinunabhängigem, symmetrischem und spinabhängigem, unsymmetrischem Teil 9 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Spinabhängige Effekte nur, wenn sowohl Strahl als auch Target polarisiert • F1, F2 wurden genau vermessen Detektion • g1 an longitudinal polarisiertem Target messbar 10 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target • Bestimmung der Gluonenplarisation aus Analyse des Skalenverhaltens der Strukturfunktion g1 Dilutionkryostat Detektion • Betrachte Prozesse, in die die Gluonenpolarisation direkt eingeht Photon-Gluon-Fusion 11 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Identifikation von PGF-Ereignissen: • Open-Charm-Produktion • Nachweis von Hadronen mit hohem Impuls 12 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung • Messung der Doppel-Spin-Asymmetrie: Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Nutze: Gluonenpolarisation geht direkt in die Asymmetrie ein 13 Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • 2002 – 2004: 6LiD-Target, Myonenstrahl • 2006: Wiederaufnahme mit longitudinaler Polarisation und neuem 6LiD-Target Detektion • 2007: NH3-Target 14 Hadronenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Innere Dynamik von Pionen und Kaonen • Glueball-Zustände • QCD-Vorhersagen verifizieren 15 Strahlführung Grundlagen Strahlführung • Beschleunigung von Protonen im SPS auf bis zu 400 GeV • Produktionstarget: Beryllium Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • • Pionen und Kaonen (9,9%) Zerfall nach schwacher Wechselwirkung 16 Strahlführung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Erhaltungssätze: • • • • Leptonenzahl: Das Neutralteilchen ist ein Myon-Neutrino Impuls: Myon und –Neutrino haben gleich große, entgegengesetzt gerichtete Impulse Neutrino: Spin entgegengesetz zum Impuls Pion hat Spin 0 Myon ist polarisiert (Spin entgegen dem Impuls gerichtet) 17 Strahlführung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • • Hadronenabsorber Durchmesser Myonenstrahl: 8 x 8 mm2 18 Strahlführung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • • Impuls: 160 GeV/c Polarisation: 80% 19 Polarisiertes Target Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Messung von Asymmetrien • Identische Messung an zwei entgegengesetzten Polarisationen Zwei (aktuell drei) hintereinander stehende, entgegengesetzt polarisierte Zellen 20 Target aus dem COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 21 Polarisierbarkeit Grundlagen Strahlführung • 6LiD: • NH3: f = 0,15; P > 80% Pol. Target Dilutionkryostat Detektion theoretisch polarisierbarer Nukleonenanteil ca. 50% (tatsächlich erreichbar: 35%) Dilutionfaktor f Polarisation 50% 22 Polarisationsrichtungen Grundlagen Strahlführung • Zwei Kombinationen: • Longitudinale Polarisation Messung der Gluonenpolarisation im Nukleon • Transversale Polarisation Transversity-Verteilung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 23 Dynamische Nukleonenploarisation Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Erzeugung der Polarisation mittels „Dynamic Nuclear Polarisation“ • • • Kühlung des Targets auf ca. 0,4K Elektronenpolarisation mittlels Mikrowellen auf Kerne übertragen Einfrieren der Polarisation bei T < 100mK Nur mit Dilutionkryostat möglich Frozen Spin Mode 24 Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 25 Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion • Helium allgemein • Erzeugung tiefer Temperaturen • Prinzipieller Aufbau • Dilutionkryostat am COMPASS 26 Helium allgemein Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS • In der Natur nur zwei stabile Isotope: • 4He (Erdgasvorkommen) Bosonen (I=0) • 3He (Kernreaktionen) Fermionen (I=1/2) Detektion 27 Spezifische Wärme Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion • Bezeichnung: • Helium-I/Helium-II 28 3He/4He - Mischungen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 29 3He/4He - Mischungen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS • Kritischer Punkt: c=0,67 • T < 0,87K: Phasenseparation • 3He-reich (für T 0K: nahezu reines 3He) • 4He-reich Detektion 30 Phasendiagramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 31 Endliche Lösbarkeit Grundlagen Strahlführung • Selbst bei T 0K: gewisse Löslichkeit von 3He in 4He • Grund: Bindungskräfte zwischen 3HeAtomen kleiner als zwischen 3He und 4He Nullpunktsenergie • Folge: Kühlung gemäß Enthalpiedifferenz möglich Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 32 Osmotischer Druck Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 33 Erzeugung tiefer Temperaturen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS • Gasexpansion • Adiabatische Entmagnetisierung von magnetischen Momenten • Kryoflüssigkeiten Detektion 34 Einfache andere Heliumkryostate Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • • Badkryostat • Verdampfungskryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 35 Badkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 36 Verdampfungskryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 37 Kühlmechanismus Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung • Kühlmechanismus findet in Mischkammer statt • Übertritt von 3He-Atomen aus der „leichten“ in die „schwere“ Phase Δ • ΔQ = TΔS=-84T2 (J/K2) • Nachliefern & Entfernen von 3He gewährleistet Kontinuität Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 38 Prinzipieller Aufbau Grundlagen Strahlführung • Kreislauf in Vakuumbehälter, der sich in 4He-Bad befindet • Mischkammer, Verdampfer, Gegenstromwärmetauscher • Zirkulation durch Pumpen am Verdampfer Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 39 3He/4He-Kreislauf Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 40 Performance Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion • Eintritt in den Kreislauf Vorkühlung Kondensation Passieren des Wärmetauschers 41 Performance Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Eintritt in 3Hereiche Phase Diffusion von 3He über Phasengrenze Detektion 42 Kühlleistung Grundlagen Strahlführung • Kühlleistung allgemein: Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS • Umformen und Einsetzen: Detektion 43 Kühlleistung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 44 Dilutionkryostat am COMPASS Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 45 Dilutionkryostat - Daten Grundlagen Strahlführung • Mischkammer aus Mylar (Polyester-Folie) • Saugleistung des 3He Pumpsystems: 13500 m3/h • Benötigte Füllmenge 3He: 49 mol • 442 mol 4He für Mischung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 46 Polarisation mit Dilutionkryostat Grundlagen • Typischer 3He-Fluss: 30 – 100 mmol/s Dilutionkryostat • • • • • Kühlung: T = 300 mK Beginn DNP • Nach Erreichen der Polarisation: • Ausschalten der Mikrowellen • Kühlung auf 55 mK Frozen Spin Mode Strahlführung Pol. Target Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 47 Polarisation mit Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 48 Kühlleistung Grundlagen Strahlführung • Kühlleistung: • Wärmeleck (Wärmestrahlung & -leitung): • Hauptquelle: Wärmeleitung der Cavity: 2,3 mW Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 49 Polarisationsdifferenzen Grundlagen Strahlführung • Verschiedene Kühlleistungen in upstream und downstream • 70% (30%) 3He-Zirkulation in upstream (downstream) Unterschiedliche maximale Polaraisation (2 – 3%) Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 50 Dilutionkryostat am COMPASS Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • • • • Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion 51 Detektion u. Identifikation von Teilchen Grundlagen Strahlführung • Spektrometermagneten SM1 & SM2 Spurrekonstruktion • Trackingdetektoren • Si-Magnetstreifendetektoren • Detektoren aus szintillierenden Fasern • Gasdetektoren • Myonenfilter Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 52 Detektion u. Identifikation von Teilchen Grundlagen Strahlführung • Kalorimeter • Hadronische Kalorimeter (HCAL) • Elektromagnetische Kalorimeter (ECAL) • Teilchenidentifikation: • Ring Imaging CHerenkov Detektor (RICH) Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 53 Detektion u. Identifikation von Teilchen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 54 Gluonenpolarisation Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 55 Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik