Caren Hagner / PHYSIK 5 / Wintersemester 2012/2013 Kapitel 3: Experimentelle Verfahren der Kern- und Teilchenphysik /

3. Experimentelle Verfahren der Kern- und Teilchenphysik

3.1 Wechselwirkung von Strahlung (Teilchen und Photonen)mit Materie3.1.1 Wechselwirkung geladener Teichenmit Materie3.1.2 Wechselwirkung von Photonenmit Materie

3.2 Teilchendetektoren

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3.1.1 Schwere geladene Teilchen (p, µ, α, etc.) in Materie

(Moderat relativistische) Schwere Teilchen (Masse M) verlieren Energie (hauptsächlich) durch• Ionisation• atomare Anregungen

Dabei kann pro Stoß maximal die Energie Tmax auf ein freies Elektron übertragen werden

( )2222

max 212

MmMmcmT

ee

e

++=

γγβ

Berechnung des Impulsübertrags auf ein Elektron (Coulomb‐WW + QM) erstmals durchBethe (1930) und Bloch (1933).  Eine aktuelle Version der „Bethe‐Bloch Formel“ :

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−=−

22ln

2111 2

2max

222

22 δβγβ

βρ ITcm

AZKz

dxdE e

222 MeVcm307075.04 == cmrNK eeAπz = Ladung des einfallenden TeilchensZ = Ladung des AbsorbersA = Massenzahl des AbsorbersI = mittlere Ionisierungsenergie (in eV!) 

Bremsvermögen(stopping power)

2

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Energieverlust von µ+ in Kupfer über 9 Größenordnungen in βγ(Bethe‐Bloch im Bereich 0.1 < βγ < 100)

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Reichweite von schweren, geladenen Teilchen

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3.1.2 Energieverlust von Elektronen

Zusätzlich: Energieverlust durch Bremsstrahlung 

Kritische Energie EC :  Energieverlust durch Ionisation  = Energieverlust durch Bremsstrahlung

1.24ZMeV610

+=CE (Festkörper, Flüssigkeiten)

Strahlungslänge X0 :Wegstrecke (eigentlich ρ·x  in g cm‐2) nach der die Energie auf 1/e faches abgefallen ist(durch Bremsstrahlungsverluste).

( )ZZZAX

287ln)1(cmg4.716 -2

0 +=

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Material X0 [g/cm²] EC [MeV]H2 63.0 340.0Al 24.0 47.0Ar 18.9 35.0Xe 8.5 14.5Fe 13.8 24.0Pb 6.3 6.9Plexiglas 40.5 80.0H2O 36.0 93.0NaI(Tl) 9.5 12.5

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Čerenkovstrahlung

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CS entsteht, wenn:Geschwindigkeit des geladenen Teilchens   v > c/n  Lichtgeschwindigkeit im Medium

(Brechungsindex n)

Intensitätsverteilung:

Energieverlust durch CS klein gegenüber Ionisationsverlust

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

)(112222

22

λβλπα

λ nz

dxdNd

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Pavel Cherenkov (Черенков)Nobelpreis 1958

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3.1.2. Wechselwirkung von Photonen mit Materie

1. Photoeffekt (dominiert im keV Bereich)Wechselwirkung des Photons mit gebundenen Elektronen.Photon wird vollständig absorbiert.

2. Compton‐Streuung (dominiert im Bereich: einige 100keV bis wenige MeV) Wechselwirkung des Photons mit „freien“ Elektronen.Streuung des Photons.

3. Paarerzeugung (dominiert im höherenergetischen Bereich, ab einigen MeV)Im Feld eines Atoms kann sich ein Photon in Elektron‐Positron Paar umwandeln.Nur falls: Eγ > 2mec2

Abschwächung von elektromagnetischer Strahlung in Materie:deIdI μ−= 0)(

Totaler linearer Absorptionskoeffizient   µ = µphoto + µcompton + µpaar

∑= σρμA

N A

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Photoeffekt

• „Kanten“ wegenSchalenstruktur der Atomhülle(K‐Elektron in Pb EK = 88keV)

• Zunahme von σ mit Z4‐Z5

• Abfall von σ mit E‐3

Mittlere freie Weglänge  λ = 1/µ  

⎩⎨⎧

>><<

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

22532

photo 15.3

mit 3

8cmEcmE

EcmZr

e

eee

γ

γ

δ

γ

δαπσ fm8.214 2

0

2

==cm

ere

e πε

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Comptonstreuung: Kinematik

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Comptonstreuung: Wirkungsquerschnitt

Aus QED erhält man Klein‐Nishina Formel:

( )( )

( ) ( )[ ]⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡−++

−+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ +

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

=Ω θεθ

θεθθε

σcos11cos1

cos112cos1

cos111

2

2232

eCompton

rdd

2cmE

e

γε =

Winkelverteilung der gestreuten Photonen:

Energieverteilung (E = Ekin des Elektrons):γ

γεEEs

cmE

e

== ,2

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−+

−+=

εεπσ 2

112 22

2

2

2

ss

ss

sEcm

rdEd

e

e

Compton

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Winkelverteilung der Photonen  Energieverteilung der Elektronen

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Überblick: Wechselwirkung von Photonen in Materie

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Elektromagnetische Schauer

PrimärelektronEnergie E0

Bremsstrahlung

Paarbildung

Wenn ETeilchen > EC entsteht Bremsstrahlung:

Es kann zur Ausbildung elektromagnetischer Schauer kommen: alternierende Folge von Photonen und e‐e+‐ Paaren

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3.2 Teilchendetektoren

Was soll/kann gemessen werden?• Spuren (nur für geladene Teilchen)• Impuls• Geschwindigkeit• Ruhemasse• Energie• Ladung• …

Durch Nachweis von• Ionisation• Licht• Wärme• Sekundärteilchen• …

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3.2.1 SpurdetektorenNebelkammer / Cloud Chamber

Photo Credit: Carl D. Anderson,  Vol.43, p491 (1933)

Andersons Entdeckung des Positrons:Positron kommt von unten, trifft aufBleiplatte, verliert Energie und tritt obenwieder aus der Bleiplatte (kleinererRadius wegen Energieverlust)NP 1927

Wilsonsche Nebelkammer:Übersättigung des Gases durch ExpansionKondensation an ioniserenden Teilchen 

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Nebelkammer am DESY

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Blasenkammer / Bubble Chamber

Gargamelle (CERN) 1973:Entdeckung der neutralen, schwachen Ströme (EPS Prize 2009)

Blasenkammer(D.A. Glaser NP 1960, Alvarez NP 1968)

• überhitzte Flüssigkeit• Blasenbildung entlang

der Spur ionisierenderTeilchen

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PhotoemulsionenStandard detector 1950‐1960(danach Blasenkammer)C.F. Powell NP 1950

Auch heute wieder aktuell:DONUT: Nachweis des tau‐neutrinos (2000)

OPERA (Neutrino Oszillationen)150000 bricks aus Blei/Photoemulsion

Extrem gute Auflösung:bis zu 1µm

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Streamerkammer / Funkenkammer

Nach einem Triggersignal: starkes E‐Feld wird erzeugt (in Gasvolumen),Entlang der ionisierenden Spur entsteht Überschlag.

Vorteil: hohe Auflösung, einfacher Aufbaugroßes Volumen.

Nachteil: eingeschränkt triggerbar,große Totzeit.

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3.2.2 GasdetektorenProportionalkammer :(Gasgefülltes Volumen, Hochspannung zwischen Wand und Anodendraht)

Je kleiner der Durchmesser des Anodendrahtes (Ri) desto höher das E‐Feldi

aR

RrUrE

ln1)( 0 ⋅=

r

Ionisierende Strahlung erzeugt Primärelektronen (Bethe‐Bloch)werden zum Anodendraht beschleunigt,in der Nähe des Drahtes entstehen Sekundärelektronen,es kommt zur Lawinenbildung,Starkes Signal kann ausgelesen werden

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Arbeitsbereiche von gasgefüllen Detektoren

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3.2.3 Szintillationszähler

• Ionisierende Strahlung regt Atome/Moleküledes szintillierenden Materials an.

• Abregung durch Emission vonsichtbarem Licht / UV‐Licht.

• Licht soll nicht gleich wieder absorbiert werden:Wellenlängenschieber (Absorption und Reemissionbei größerer Wellenlänge) wird beigemischt.

• Licht fällt auf Photokathode,Photoelektron wird emittiert.

• Photoelektron wird durch Dynoden (Hochspannung)vervielfacht. Signal kann ausgelesen werden.

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Nachweis von Photonen von Szintillator: Photomultiplier

Quantum Efficiency ε: gibt an wieviele Photoelektronen pro Photon erzeugt werden.Typisch ε = 0.25

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Super-Kamiokande DetektorSuper-Kamiokande Detektor

Borexino während der Füllphase (oben Szintillator, unten Reinstwasser)Borexino während der Füllphase (oben Szintillator, unten Reinstwasser)

Plastik Szintillator fuer MINERVA experiment (Fermilab) 

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3.2.4 Halbleiterzähler

• Diode (pn Übergang) in Sperrrichtung (a)

• Durch Sperrspannung enstehtVerbreiterung der Verarmungszone (b)

• Ionisierende Strahlung erzeugt freieLadungsträger in der Verarmungszone

• Zur Erzeugung  eines Elektron‐Loch Paaressind nur einige eV nötig.Hohe Zahl an Ladungsträgern.Deshalb sehr genaue Messung.

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Silizium Oberflächendetektorenhäufig als Spurdetektoren in der Hochenergiephysik

• Planarer Aufbau (Dicke im mm‐Bereich, großflächig 100cm2)• Photolithographische Herstellung• Kann segmentiert werden zur Ortsauflösung• Integrierte Mikroelektronik• Für viele zukünftige Detektoren muss Strahlenhärte verbessert werden

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