Struktur der Materie für Lehramt

Detektoren und Beschleuniger

Michael Martins, Erika Garutti Universität Hamburg Sommer-Semester 2013

Teil II: Struktur

1  Einführung 2  Tools: Teilchenprozessen, Relativistische Kinematik,

Quantenfeldtheorie, Wirkungsquerschnitt 3  Kernphysik 4  Detektoren und Beschleuniger 5  Teilchenphysik

2

Beschleuniger und Teilchendetektoren

vmpBvEedtpdF

γ=×+== ),(

Warum Teilchenbeschleuniger?

•  E=mc2: Hohe Energien, um schwere (neue) Teilchen zu erzeugen.

•  λ=h/p: Untersuchung von Strukturen und Kräften bei kleinen Abständen

Teilchenbeschleuniger:

- geladene Teilchen im E-, B- Feld.

- Für vàc B-Feld viel effektiver als E-Feld*) ! (1 GV/m entspricht 3 Tesla!) *) typische Werte maximale Feldstärken: E: 10-50 MV/m, B: 5-10 Tesla

Elemente von Teilchenbeschleunigern:

1.  Teilchenquelle (Injektor)

2.  Beschleunigung durch elektrische Felder

3.  Ablenkung (Kreisbahn) durch magnetische Felder („Dipole“)

4.  Fokussierung durch magnetische Felder („Quadrupole“ und Korrekturmagnete)

Beschleuniger 2. Für kleine Energien (<100 MeV): Gleichspannung (van de Graaff)

Für hohe Energien: Hohlraumresonatoren – RF-Kavitäten

- normal leitende: Bei hohen Frequenzenà hohe Felder

(bis 100 MV/m). Verluste àEnergieverbrauch

- supraleitende: Felder bis ~40 MV/m

Tesla Entwicklung (DESY) à für ee-Linear Collider

(nächster Großbeschleuniger!)

3.  Dipolmagnete: wegen Stromverbrauch supraleitend.

Bsp: B=5.2 T (HERA p: 920 GeV - 6.3 km Umfang)

B=8.3 T (LHC p: 7000 GeV - 27 km Umfang)

Krümmungsradius:

4.  Quadrupol „Linsen“

Fokussierung nur in einer Ebene

Defokussierung in anderer Ebene

F

RF-Kavität

][][3.0]/[][TBeqcGeVpmr

qBpr =→=

Horizontal fokussierender Quadrupol

Beschleuniger…

Beschleunigeranlage: Teilchenquelle à Vorbeschleuniger à Hauptbeschleuniger/Speicherring, an dem Experimente gemacht werden

Beschleuniger Fortschritte bei der Entwicklung von Beschleunigern für pp und e+e- (Energie vs. Jahr):

Beschleunigte Ladung strahlt Energie ab à Synchrotronstrahlung abgestrahlte Leistung: (Energie x B-Feld)2 / (mc2)4 ) à  „Synchrotronlicht“ für Forschung +

industrielle Anwendungen à Elektronen verlieren in

Kreisbeschleuniger so viel Energie, dass ab ~200GeV Linearbeschleuniger einzige Möglichkeit,

à um hohe Energien zu erreichen: p-

Speicherringe (aber experimentell viel schwieriger, insbesondere für Präzisionsmessungen !) Grund: Komplexe Struktur des Protons. Protonen sind keine Elementarteilchen.

PETRA III @ DESY

8

Vergleich Tevatron-LHC

location : Fermilab, Chicago,USA CERN, Geneve, Switzerland start : 1987 2008 (restart 2010) collider type : proton – anti-proton proton – proton experiments (top) : CDF, D0 ATLAS, CMS, ALICE, LHC-B √s : 1.8 GeV→ 1.96 GeV 7 TeV → 8 TeV (→ 14 TeV) L (instantaneous) : 1030 → 3x1032 cm-2s-1 1034 (4x1032 for 2010) cm-2s-1

L (integrated) : ≈ 10 fb-1 ≈ 300/3000 fb-1

σ(tt) expected : ≈ 7 pb ≈ 850 pb (7 TeV: 160 pb) tt events / 50 pb-1 : ≈ 350 ≈ 42,500 (8,000)

Detektoren

10

Particle detection

§  The detector sees only “stable” particles (cτ > 500µm) §  the 8 most frequently produced are:

§  e±,µ±,γ,π±,K±,K0,p±,n

§  In order to detect a particle, it has to interact - and deposit energy

§  Ultimately, the signals are obtained from the interactions of charged particles

§  Neutral particles (photons, neutrons) have to transfer their energy to charged particles to be measured è calorimeters

Detection and identification of particles

§  Detection = particle counting (is there a particle?) §  Identification = measurement of mass and charge of the particle

(most elementary particle have Ze=±1) How: - charged particles are deflected by B fields such that:

- particle velocity measured with time-of-flight method

11

ρ =pZeB

∝pZ=γm0βcZ

ρ

¤ B

p = particle momentum m0 = rest mass βc = particle velocity

t1 t2

β ∝1Δt

Detection and identification of particles

§  Detection = particle counting (is there a particle?) §  Identification = measurement of mass and charge of the particle

(most elementary particle have Ze=±1) How: - kinetic energy determined via a calorimetric measurement - for Z=1 the mass is extracted from Ekin and p - to determine Z (particle charge) a Z-sensitive variable is e.g. the ionization energy loss

12

Ekin = γ −1( )m0c2 γ =

11+β 2

dEdx

∝Z 2

β 2ln aβ 2γ 2( )

a = material-dependent constant

Interaction of particles and γ-radiation with matter

Different type of interactions for charged and neutral particles Difference “scale” of processes for electromagnetic and strong interactions

§  Detection of charged particles (Ionization, Bremsstrahlung, Cherenkov …) §  Detection of γ-rays (Photo/Compton effect, pair production) §  Detection of neutrons (strong interaction)

§  Detection of neutrinos (weak interaction)

13

Energieverlust von Teilchen in Materie Energieverlust von Teilchen in Materie Ziel: präzise Messung von ,E, m der in Wechselwirkung erzeugten Teilchen Nachweis nur über Wechselwirkung mit Materie à ein Teil der Energie des Teilchens wird in elektrisches oder optisches Signal umgewandelt à Messung beeinflusst Energie und Bahn der Teilchen

Energieverlust (schwerer >> me) geladener Teilchen

p

Incident particle z = charge of incident particle β  = v/c of incident particle γ = (1-β2)-1/2

Wmax= max. energy transfer in one collision

Fundamental constants re=classical radius of electron me=mass of electron Na=Avogadro’s number c =speed of light

=0.1535 MeV cm2/g

Absorber medium I = mean ionization potential Z = atomic number of absorber A = atomic weight of absorber ρ  = density of absorber δ = density correction C = shell correction

dEdx

∝Z 2

β 2ln aβ 2γ 2( )

−dEdx

= 2πNare2mec

2ρZAz2

β 2ln(2mec

2β 2γ 2

I 2Wmax )− 2β

2 −δ(βγ )− CZ

"

#$

%

&'

Bethe-Bloch-Formel:

Energieverlust von Teilchen in Materie

Bethe-Bloch-Formel:

1/β 2 Abfall

Minimum bei βγ = 3

Anwachsen ~ ln β2γ2

dEdx

∝Z 2

β 2ln aβ 2γ 2( )

Energieverlust von Teilchen in Materie

Bremsstrahlung

Energieverlust von Teilchen in Materie

Energieverlust leichter Teilchen( me) dE/dx (Bethe-Bloch) + Bremsstrahlung (Feld des Kerns dominiert – „klassische“ Erzeugung der Röntgen-Strahlung) à σ ~ EeZ2

X0 = Strahlungslänge

à Cherenkov Effekt elektromagnetische „Schockwelle“ wenn Geschwindigkeit v eines Teilchens größer als Lichtge- schwindigkeit im Medium v > c/n à Cherenkov Licht auf Kegel θc

à Teilchenidentifikation

Bremsstrahlung

cosθC=1/(nβ)

Cherenkov Effekt

βc Teilchengeschwindigkeit c/n: Lichtgeschwindigkeit im Medium

−dEdx Brems

=EX0

−dEdx Cherenkov

∝ z2 sin2θc

Energieverlust von Photonen in Materie

Wechselwirkungen von Photonen:

Photoeffekt (PE): Photon wird absor- biert und schlägt Elektron aus Atomhülle

Compton-Effekt: Streuung Photon an einem Elektron der Atomhülle

Paar (e+e-) Erzeugung im elektrischen Feld des Atomkerns

Energieverlust von Photonen in Materie

Totale Wirkungsquerschnitte für WW von Photonen und Kohlenstoff und Blei

Compton E.

Paarerzeugung

Photo-E.

Teilchendetektoren

Spurkammern zur Messung der Bahn geladener Teilchen à Radius R im Magnetfeld à Teilchenimpuls ⊥ B p⊥[GeV/c] = 0.3 z R[m] B[T] à Ionisation à Energieverlust (dE/dx) Photographische Emulsionen

- genausten Detektoren (< 1µm Ortsauflösung) - historisch: viele bedeutende Entdeckungen (µ-Lepton, π-Meson, …) - heute: kurzlebige Teilchen – e.g. τ-Identifkation im OPERA Experiment

Nebel- und Blasenkammer (Bilder à e.g. Entdeckung Positron)

- unterkühltes Gas/überhitze Flüssigkeit à Ionen bilden „Kondensationskeime“ à Photographien à Auswertung mit Mustererkennung

- dominierte Teilchenphysik bis in die frühen 80iger Jahre - vollständiges Bild von Wechselwirkung mit ausgezeichneter Präzision - nicht geeignet für „seltene“ Ereignisse und an Speicherringen

¤ B

R

Detector quiz: which principle is used in these pictures?

Detektoren Proportional und Driftkammer geladenes Teilchen à Elektronen/Ionen im

Gas der Driftkammer à durch E-Feld Drift zum Anodendraht à Verstärkung à Signal

Messung der Driftzeit à Ortsbestimmung viele verschiedene Varianten – Bestandteil jedes Großdetektors Begrenzung: Messgenauigkeit ~ 0.1mm

Halbleiterdetektoren p-n Diode in Sperrrichtung gepolt à Verarmungszone ohne freie Ladungsträger à Teilchendurchgang à e-Loch-Paare à Ladungen induzieren Signale in Auslesestreifen Messung Ladungsverteilung à Ortsbestimmung möglich dank der hoch-entwickelten Halbleiter- technologie + Mikroelektronik viele verschiedene Varianten – Bestandteil jedes Großdetektors Messgenauigkeit bis 0.002 mm (2µm) Begrenzung: Kosten + Größe Detektoren

E

22

Detektoren: Kalorimeter Kalorimeter zur Messung der Energie neutraler und geladener Teilchen durch

Absorption der gesamten Energie eines Teilchens: Signal ∝ Energie Elektromagnetische Kalorimeter Schauer durch Prozesse: e(Z)à e+γ (Bremsstrahlung) γ (Z)à e+e- (Paarbildung E>2mc2) Verdopplung der Anzahl der Teilchen (e+,e-,γ) nach einer Strahlungslänge X0 Homogene und Stichproben-Kalorimeter Auflösung dE/E ~ (1 … 20)%/√(E[GeV]) à bei hohen Energien besser als Impulsmessung mit Spurdetektoren im B-Feld

Hadronische Kalorimeter Schauer durch hadronische Prozesse: Hadron+Aà viele neue Teilchen à viel komplizierter als em Schauer à mehr Absorberdicke notwendig à schlechtere Energieauflösung: dE/E ~ (30 … 100)%/√(E[GeV])

Ein “typischer” HEP Detektor

Hadronische Lagen

Spursystem (im Magnetfeld)

Kalorimeter Induziert Shower

in dichtem Material

Innere Tracking Lagen

aus Silizium

Myonen- Detektor

Stosspunkt

Absorber-Material

Ablenkungswinkel → Impuls

Electron

Experimentale Signatur eines Quarks oder Gluons

Muon

Jet

“Fehlende Transversale Energie” Signatur eines nicht- (oder schwach-) wechselwirkenden Teilchens. z.B. Neutrino.

EM Lagen Mit feiner

Segmentierung

Zwiebelschalenprinzip

Der Compact Muon Solenoid Detektor

26

CMS Online Animation

https://cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/PublicEPPOGDocDB/RetrieveFile?docid=97&version=1&filename=CMS_Slice_elab.swf

Beispiel: Der CMS Silizium Tracker

Größter Si Tracker der Welt: 220qm Si!

3 Lagen Pixel

10 Lagen Streifensensoren (Barrel-Bereich)

9 Endkappen-Räder

25k Streifensensoren, 75k Auslesechips, Fast 10 M Auslesekanäle àIndustrielle Fertigung nötig.

Reine Silizium-Lösung

Installation des CMS Spurdetektors

CMS Silizium Sensoren

Zusammenfassung: Beschleuniger und Detektoren • hohe Energien è neue Teilchen mit großer Massen (E = m c2)

è hohe Ortsauflösung (λ = h/p) für Strukturuntersuchungen

• Linear-Beschleuniger und Ring-Beschleuniger (erreichbare Energien, Synchrotronstr.) • Teilchennachweis durch (EM) Wechselwirkung mit Detektormaterial è Messsignal

• Energieverlust durch elektromagnetische Wechselwirkung: • „schwere“ geladene Teilchen: Bethe-Bloch Formel • „leichte“ geladene Teilchen: außerdem Bremsstrahlung • geladene Teilchen mit vTeilchen > c/n: Cherenkov-Effekt • Photonen: Photoeffekt, Compton-Effekt, Paar-Erzeugung

• Spurdetektoren für geladene Teilchen (Impuls/Ladung aus Kreisbahn im B-Feld) • Photoemulsionen • Nebel- und Blasen-Kammern • Proportional- und Drift-Kammern • Halbleiterdetektoren

• Energiemessung durch Absorption der gesamten Energie (Teilchenschauer) • elektromagnetische Kalorimeter – Schauer durch elektromagn. Prozesse s.o. • hadronische Kalorimeter - Schauer durch hadronische u. elektromagn. Prozesse

• Großdetektoren: zwiebelschalenförmige Anordnung verschiedener Sub-Detektoren mit jeweils speziellen Messaufgaben