Das COMPASS-Experiment

Das COMPASS-Experiment

Sonja Kunkel

Fakultät für Physik und Astronomie

Ruhr-Universität Bochum

Seminar zur Spinphysik

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Gliederung

1. Grundlagen des COMPASS Experiments

2. Strahlführung

3. Polarisiertes Target

4. Dilutionkryostat

5. Detektion und Identifikation von Teilchen

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COMPASS-Experiment

• COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy

• Festkörper Target-Experiment mit zweistufigem Spektrometer

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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COMPASS-Experiment

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Nukleonen besitzen Substruktur Quarks – beschreiben viele

Nukleoneneigenschaften korrekt

• Spin der Nukleonen jedoch nicht erklärbar Nur 30% Beitrag des Quark-Spins zum

Nukleonenspin

Gluonen und Bahndrehimpulse liefern auch einen Beitrag

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Ziel des Myonenprogramms: Messung des Gluonenspin-Beitrags zum Nukleonenspin

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Untersuchen der Substruktur mittels tiefinelastischer Leptonen-Nukleon-Streuung

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Differentieller Wirkungsquerschnitt (experimentell):

• Differentieller Wirkungsquerschnitt (theoretisch):

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Leptonischer Tensor: Mit QED berechenbar

• Hadronischer Tensor: Parametrisierung durch F1, F2, g1, g2

• Beide Tensoren sind Summen aus spinunabhängigem, symmetrischem und spinabhängigem, unsymmetrischem Teil

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Spinabhängige Effekte nur, wenn sowohl Strahl als auch Target polarisiert

• F1, F2 wurden genau vermessen

• g1 an longitudinal polarisiertem Target messbar

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Bestimmung der Gluonenplarisation aus Analyse des Skalenverhaltens der Strukturfunktion g1

• Betrachte Prozesse, in die die Gluonenpolarisation direkt eingeht Photon-Gluon-Fusion

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Identifikation von PGF-Ereignissen:• Open-Charm-Produktion• Nachweis von Hadronen mit hohem Impuls

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• Messung der Doppel-Spin-Asymmetrie:

• Nutze:

Gluonenpolarisation geht direkt in die Asymmetrie ein

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Myonenprogramm

• 2002 – 2004: 6LiD-Target, Myonenstrahl

• 2006: Wiederaufnahme mit longitudinaler Polarisation und neuem 6LiD-Target

• 2007: NH3-Target

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Hadronenprogramm

• Innere Dynamik von Pionen und Kaonen

• Glueball-Zustände

• QCD-Vorhersagen verifizieren

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Strahlführung

• Beschleunigung von Protonen im SPS auf bis zu 400 GeV

• Produktionstarget: Beryllium• Pionen und Kaonen (9,9%)• Zerfall nach schwacher Wechselwirkung

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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1. Minimale Skizze anzeichnen2. Was über den Film erzählen3. Was über Interferenzringe erzählen

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Strahlführung

• 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)

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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18

Strahlführung

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

• Hadronenabsorber• Durchmesser Myonenstrahl: 8 x 8 mm2

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Strahlführung

• Impuls: 160 GeV/c• Polarisation: 80%

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Polarisiertes Target

• Messung von Asymmetrien

• Identische Messung an zwei entgegengesetzten Polarisationen Zwei (aktuell drei) hintereinander stehende,

entgegengesetzt polarisierte Zellen

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Target aus dem COMPASS-Experiment

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Polarisierbarkeit

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

• 6LiD: theoretisch polarisierbarer Nukleonenanteil ca. 50% (tatsächlich erreichbar: 35%) Dilutionfaktor f Polarisation 50%

• NH3: f = 0,15; P > 80%

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Polarisationsrichtungen

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

• Zwei Kombinationen:

• Longitudinale Polarisation Messung der Gluonenpolarisation im Nukleon

• Transversale Polarisation Transversity-Verteilung

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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

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Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Angezeichnetes Bild weiterführen

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Dilutionkryostat

• Helium allgemein

• Erzeugung tiefer Temperaturen

• Prinzipieller Aufbau

• Dilutionkryostat am COMPASS

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS

Detektion

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Helium allgemein

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• In der Natur nur zwei stabile Isotope:• 4He (Erdgasvorkommen)

Bosonen (I=0)• 3He (Kernreaktionen)

Fermionen (I=1/2)

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Spezifische Wärme

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion• Bezeichnung:

• Helium-I/Helium-II

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3He/4He - Mischungen

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

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3He/4He - Mischungen

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Kritischer Punkt: c=0,67

• T < 0,87K: Phasenseparation• 3He-reich (für T 0K: nahezu reines

3He) • 4He-reich

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Phasendiagramm

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

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Endliche Lösbarkeit

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Selbst bei T 0K: gewisse Löslichkeit von 3He in 4He

• Grund: Bindungskräfte zwischen 3He-Atomen kleiner als zwischen 3He und 4He Nullpunktsenergie

• Folge: Kühlung gemäß Enthalpiedifferenz möglich

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Osmotischer Druck

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

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Erzeugung tiefer Temperaturen

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Gasexpansion

• Adiabatische Entmagnetisierung von magnetischen Momenten

• Kryoflüssigkeiten

35

Einfache andere Heliumkryostate

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Badkryostat

• Verdampfungskryostat

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Badkryostat

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

37

Verdampfungskryostat

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

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Kühlmechanismus Dilutionkryostat

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• 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

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Prinzipieller Aufbau

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Kreislauf in Vakuumbehälter, der sich in 4He-Bad befindet

• Mischkammer, Verdampfer, Gegenstromwärmetauscher

• Zirkulation durch Pumpen am Verdampfer

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3He/4He-Kreislauf

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

41

Performance

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Eintritt in den Kreislauf

Vorkühlung

Kondensation

Passieren des Wärmetauschers

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Performance

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

Eintritt in 3He-reiche Phase

Diffusion von 3He über Phasengrenze

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Kühlleistung

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Kühlleistung allgemein:

• Umformen und Einsetzen:

44

Kühlleistung

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

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Dilutionkryostat am COMPASS

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

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Dilutionkryostat - Daten

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Mischkammer aus Mylar (Polyester-Folie)

• Saugleistung des 3He Pumpsystems: 13500 m3/h

• Benötigte Füllmenge 3He: 49 mol

• 442 mol 4He für Mischung

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Polarisation mit Dilutionkryostat

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Typischer 3He-Fluss: 30 – 100 mmol/s

• Kühlung: T = 300 mK Beginn DNP

• Nach Erreichen der Polarisation:• Ausschalten der Mikrowellen• Kühlung auf 55 mK

Frozen Spin Mode

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Polarisation mit Dilutionkryostat

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

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Kühlleistung

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Kühlleistung:

• Wärmeleck (Wärmestrahlung & -leitung):

• Hauptquelle: Wärmeleitung der Cavity: 2,3 mW

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Polarisationsdifferenzen

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

• Verschiedene Kühlleistungen in upstream und downstream

• 70% (30%) 3He-Zirkulation in upstream (downstream) Unterschiedliche maximale

Polaraisation (2 – 3%)

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Dilutionkryostat am COMPASS

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target


Detektion

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Detektion u. Identifikation von Teilchen

• Spektrometermagneten SM1 & SM2 Spurrekonstruktion

• Trackingdetektoren• Si-Magnetstreifendetektoren• Detektoren aus szintillierenden Fasern• Gasdetektoren• Myonenfilter

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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• Kalorimeter• Hadronische Kalorimeter (HCAL)• Elektromagnetische Kalorimeter

(ECAL)

• Teilchenidentifikation:• Ring Imaging CHerenkov Detektor

(RICH)

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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54


Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Gluonenpolarisation

Grundlagen

Strahlführung

Pol. Target

Dilutionkryostat

Detektion

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Seminar zur Spinphysik

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