Sehr geehrte Lehrkrfte, diese Prsentation bietet einfhrende Erklrungen und Grafiken rund um den ATLAS-Detektor am CERN. Einige Folien sind animiert, um schrittweise Erklrungen zu ermglichen. Bitte beachten Sie auch die Notizen zu den einzelnen Folien; diese sind in PowerPoint in der Notizenansicht oder in der Normalansicht unten rechts sichtbar. Die Notizen enthalten Erklrungen zu den Grafiken, Anregungen fr Aktivitten und Verweise zu weiterfhrenden Informationen.

Viel Spa wnscht das Teilchenwelt-Team*

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InhaltCERN und LHC4-6Nachweis von Elementarteilchen7Der Aufbau des ATLAS-Detektors8-9Wechselwirkungen in Detektoren10Teilchenspuren im ATLAS-Detektor11-13Signalerzeugung14

Der ATLAS-Detektor*

Lehrkrfte-Workshop CERN, Anne Glck

Das grte Teilchenphysik-Forschungszentrum der Weltim Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich

Das CERN (Conseil Europen pour la Recherche Nuclaire)*

Ein 27 km langer, ringfrmiger Teilchenbeschleuniger4 Teilchen-Detektoren: ATLAS, ALICE, CMS und LHC-bDer LHC (Large Hadron Collider) *

Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 4 Tera-Elektronenvolt (TeV). Wenn die Protonen zusammenstoen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist.Was geschieht im LHC?*

Bildgebende Detektoren

z.B.: Nebelkammer, Blasenkammer

sichtbare Teilchenspuren

Elektronische Detektoren

z.B: ATLAS-Detektor, Geigerzhler

Teilchen erzeugen elektrische SignaleEigenschaften der Teilchen werden daraus rekonstruiertWie weist man Elementarteilchen nach?*

Der ATLAS-Detektor22 m45 m*

Der ATLAS-DetektorHadronisches Kalorimeter misst die Energie von Hadronen (= aus Quarks bestehende Teilchen)Myonenkammern messen die Spuren und Impulse von Myonen befinden sich in einem Magnetfeld *

Wechselwirkungen in Detektoren*Energiereiche Teilchen wechselwirken mit dem Detektormaterial, wobei Sekundrteilchen entstehen.Dabei kann folgendes geschehen je nach Teilchensorte und Material:

IonisationErzeugung von Photonen TeilchenschauerElektromagnetische Schauer (Elektronen, Positronen, Photonen)Schauer von Hadronen (Protonen, Neutronen usw.)

mkuhar - Neue Folie

Teilchenspuren im ATLAS-DetektorAnimation*Der ATLAS-Detektor besteht aus mehreren Schichten. Verschiedene Teilchensorten wechselwirken in jeder Schicht jeweils anders. Sie hinterlassen also verschiedene Signalmuster (Teilchenspuren): So kann man Teilchensorten voneinander unterscheiden.

mkuhar - Erklrung hinzugefgt

Teilchenspuren im ATLAS-Detektor*SpurdetektorenElektromagnet.KalorimeterHadron.KalorimeterMyonen-kammernHalbleiter-Detektorbergangs-strahlungs-Detektor

Elektron

El. geladenes Hadron

Myon

Photon

El. neutrales Hadron

Neutrino

Teilchen hinterlsst keine Signale

Teilchenspur(durch Ionisation oder Erzeugung von Photonen)

Energieabgabe (Teilchenschauer)

mkuhar - Animation hinzugefgt, Notizen gendert

So stellt eine vom CERN entwickelte Software Teilchenspuren im ATLAS-Detektor dar: Darstellung von Teilchenspuren*

Signalerzeugung*Wenn energiereiche Teilchen im Detektor wechselwirken, entstehen Sekundrteilchen.Diese erzeugen elektrische Signale, aus denen Forscher Eigenschaften der ursprnglichen Teilchen bestimmen. Die Signale knnen durch zwei Prozesse entstehen:

IonisationDie Sekundrteilchen setzen Elektronen frei. Diese werden abgeleitet. Die Stromstrke oder Ladung wird gemessen.

SzintillationPhotonen werden freigesetzt und weitergeleitet. Ihre Intensitt wird gemessen und in elektrische Impulse umgewandelt.

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ImpressumAutoren: Manuela Kuhar, Fabian KugerKontakt: material@teilchenwelt.de

Bildnachweise:CERN: 2, 4-7ATLAS collaboration: Folien 7-11, 13Netzwerk Teilchenwelt: Folie 12

http://www.teilchenwelt.de/service/impressum

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*Das folgende kurze Video veranschaulicht die Beschleunigung von Protonen im LHC und ihre Kollision im ATLAS-Detektor: http://atlas.ch/multimedia/#proton-event *Video CERN in 3 Minuten: http://www.weltmaschine.de/service__material/filme__videos/cern_in_3_minuten

Eine Energie von 4 TeV entspricht etwa der Bewegungsenergie einer fliegenden Mcke fr ein einzelnes Proton ist das aber gewaltig viel: So viel Energie hatten Teilchen wenige Milliardstel Sekunden nach der Entstehung des Universums! Die Protonen bewegen sich im LHC mit 99,999997% der Lichtgeschwindigkeit.

An diese Stelle passt ein kurzes Video (48 Sekunden, Fahrt durch den LHC-Tunnel und Animation einer Teilchenkollision): http://www.atlas.ch/multimedia/#7-tev-event

**In den Anfngen der Teilchenphysik wurden bildgebende Detektoren, wie die Nebelkammer und die Blasenkammer, verwendet. In diesen Detektoren hinterlassen Teilchen eine direkt sichtbare Spur. Aus der Aufzeichnung dieser Spur (Fotoplatten o..) konnten die Eigenschaften des Teilchens per Hand rekonstruiert werden.

Heutzutage verwendet man vor allem elektronische Detektoren, wie den ATLAS-Detektor, CMS, ALICE und fast alle anderen Detektoren fr Beschleunigerexperimente in den letzten Jahrzehnten. In ihnen erzeugen durchfliegende Teilchen elektrische Signale, welche digitalisiert werden und so eine Information ber den Durchgang eines Teilchens an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit geben. Durch die Kombination dieser Informationen knnen die Spuren, Impuls, Ladung und andere Teilcheneigenschaften mittels spezieller Computersoftware berechnet werden.

Obwohl Blasenkammern eine hhere Ortsauflsung erzielen als beispielsweise der ATLAS-Detektor, werden sie in modernen Experimenten nicht mehr eingesetzt. Das liegt insbesondere an der hohen Ereignisrate im LHC; nur elektronische Schaltelemente sind in der Lage, mehr als 40 Millionen Ereignisse pro Sekunde aufzuzeichnen und auszuwerten. *Mehr Informationen ber den ATLAS-Detektor finden Sie im Dokument [ATLAS_Materialien] auf den Seiten 17-19. *Mgliche Frage: Warum spricht man von einer Spur und nicht von einer Flugbahn? Man kann Teilchen keine Bahn im klassischen Sinne zuordnen. Sie hinterlassen Signale im Detektor, die von einer Software zu einer Spur zusammengesetzt werden.

Spurdetektoren kann man mit einer Digitalkamera vergleichen. In beiden Fllen geben Teilchen Energie an einen Halbleiter ab, was elektrische Signale erzeugt.

Genau genommen messen die Detektoren nur elektrische Signale. Die physikalischen Gren (Spuren, Impulse, Energie) werden daraus rekonstruiert bzw. berechnet.

***Eine Animation der Teilchenspuren ist unter http://atlas.physicsmasterclasses.org/de/wpath_teilchenid1.htm zu finden. Hier lsst sich die Energie und die elektrische Ladung der Teilchen verstellen, so dass sich die Krmmung im Magnetfeld ndert. Mehr Informationen zu Teilchenspuren im ATLAS-Detektor finden Sie im Dokument [ATLAS_Materialien] auf S. 19.Der Videoausschnitt [ATLAS_Intro] gibt ebenfalls eine kurze Erklrung (von 0:51 bis 2:25)

*Diese bersicht zeigt, wie verschiedene Teilchen in den Detektorkomponenten wechselwirken, und wie das zu unterschiedlichen Signalmustern (Teilchenspuren) fhrt.Je nach Teilchensorte misst man in verschiedenen Detektorschichten Signale; so lassen sich Teilchenarten voneinander unterscheiden. Oben sind die Wechselwirkungen von elektrisch geladenen Teilchen dargestellt, sortiert nach ihrer Eindringtiefe. Sie ionisieren das Detektormaterial in den Spurdetektoren bzw. erzeugen Photonen. Unten sind elektrisch neutrale Teilchen dargestellt, auch nach ihrer Eindringtiefe sortiert. Sie wechselwirken im Halbleiterdetektor nicht.

Mehr Informationen zu Teilchenspuren im ATLAS-Detektor finden Sie im Dokument [ATLAS_Materialien] auf S. 19.

*Diese Teilchenspuren-Darstellung wird in hnlicher Form am CERN verwendet. Bei Teilchenphysik-Masterclasses verwenden Teilnehmer eine vereinfachte Softwareversion (Minerva oder Hypatia). Auf folgender Webseite knnen Sie sich ber die Inhalte der Masterclasses informieren: http://atlas.physicsmasterclasses.org/de/wpath_messung.htm ** ***