JAK WIDZIMYTO

NIEWIDZIALNEczyli

WPROWADZENIE DO

DETEKCJI CZĄSTEK

Z. HajdukIFJ PAN KRAKÓW

Kwiecień 2007 ZH 2/41

Referencje

Niniejszy wykład korzysta z materiałów i danych zawartych w :

oraz

CERN Summer Student Lectures 2005DETECTORS

Olav Ullaland, PH Department, CERN.

Kwiecień 2007 ZH 3/41

Cel naszego spotkania ?

Poznać bliżej aparaturę i jej zasady działania, stosowaną w badaniu

Mikrokosmosu Czyli świata cząstek elementarnych Tym samym pozwolić Państwu na

łatwiejsze oglądanie tego co zobaczycie Niczym nie przypomina aparatury z jaką na

co dzień spotyka się fizyk spoza tych badań

Kwiecień 2007 ZH 4/41

Jak robimy eksperyment FWE?

Zasada jest prosta:

+ =

Kwiecień 2007 ZH 5/41

Pytania ?

Z lecących szczątków zrekonstruować zegarek i zgadnąć jak działa !

Bardzo uproszczone przedstawienie ale dość akuratne..... To był eksperyment na stałej tarczy

A jakby zderzyć dwa zegarki ??To będzie eksperyment na zderzaczach

Kwiecień 2007 ZH 6/41

Szczątki (ale nie tylko!)

Kwiecień 2007 ZH 7/41

Różne konfiguracje

Kwiecień 2007 ZH 8/41

Składniki każdego eksperymentu

Muon chambers

Identification

Kwiecień 2007 ZH 9/41

Co mierzyć ?

Tory (topologia przypadku, wtórne wierzchołki)

Energię (hadronową i elektromagnetyczną)

Pęd (pomaga w identyfikacji) Identyfikować (jaka cząstka ?) zwykle

przez pomiar prędkości

Kwiecień 2007 ZH 10/41

?????????

Cząstki możemy zobaczyć tylko kiedy oddziałują z materią detektora (stąd neutrina ‘prawie’ niewidzialne)

Oddziaływanie o którym myślimy odbywa się zawsze poprzez depozyt energii

Przeglądniemy te zjawiska

Kwiecień 2007 ZH 11/41

Prehistoria

Wystarczyło stwierdzić że cząstka przeszła/była ! Geiger-Müller, komora mgłowa Rutherford i scyntylująca płytka

Ale lepiej było wiedzieć : GDZIE ? Rutherford Wilson

Klisze fotoczułe

Kwiecień 2007 ZH 12/41

Prehistoria cd

Figure 1

M

F

S RD

C

T

L

B

P

Scyntylacje

depozyt energii -> światłoJonizacja

Kwiecień 2007 ZH 13/41

Historia - niedawna

Zapis tylko optyczny - fotografia

Trochę ‘późno’ !

Kwiecień 2007 ZH 14/41

Użyteczne oddziaływania z materią

Oddziałując z detektorem cząstka powinna pozostać pod każdym względem ‘nienaruszona’ - z ważnymi wyjątkami o czym później

Czyli – oddziaływania ‘miękkie’ - elektromagnetyczne

Kwiecień 2007 ZH 15/41

Jonizacja – straty dE/dx

Formuła Bethe-Bloch

Z

Zi ie

r

e Im

vm

vm

eNZ

dx

dE

'

20

2

20

20

421 2

ln8

Rozproszenie nierelatywistyczne – ‘rutherfordowskie

Kwiecień 2007 ZH 16/41

Jonizacja +

Efekt gęstości Pojęcie cząstek

MIP – minimalnie jonizujących

Kwiecień 2007 ZH 17/41

Jonizacja ++

Fluktuacje w dE/dx (δ-elektrony)

Kwiecień 2007 ZH 18/41

Elektrony

Trochę inaczej – bo lekkie (e+/e-) Znacznie wcześniej min

jonizacji Promieniowanie

hamowania

Kwiecień 2007 ZH 19/41

A fotony ?

Neutralny Fotoefekt

Einstein + Planck Rozpraszanie comptonowskie Kreacja par

Kwiecień 2007 ZH 20/41

A fotony ?

Neutralny Fotoefekt

Einstein + Planck Rozpraszanie comptonowskie Produkcja par

Kwiecień 2007 ZH 21/41

Detektory oparte na jonizacji

Podział wg materiału w którym następuje jonizacja Gaz Ciało stałe

(półprzewodnik)

Multi Wire Proportional Chambers MWPC Time Projection ChambersTime Expansion Chambers Proportional Chambers Thin Gap ChambersDrift ChambersJet ChambersStraw TubesMicro Well ChambersCathode Strip ChambersResistive Plate ChambersMicro Strip Gas ChambersGEM - Gas Electron MultiplierMicromegas – Micromesh Gaseous Structure

Materiały:Krzem, German, Węgiel (diament), Arsenek Galu

Technologia:PaskoweMozaikoweDryfowe

Kwiecień 2007 ZH 22/41

Detektory oparte na jonizacji +

Wg ról detektora Pomiar śladów

Wszystkie ! Identyfikacja

Tam gdzie wielokrotny pomiar dE/dx ! (zarówno w gazie jak i ciele stałym)

Kwiecień 2007 ZH 23/41

Inne zjawiska fizyczne -1

Promieniowanie czerenkowskie

Progowe Imaging

Kwiecień 2007 ZH 24/41

Inne zjawiska fizyczne - 2

Promieniowanie przejścia – TR Tylko wysoko energetyczne e+/-

emitują TR o wystarczającej intensywności

Kwiecień 2007 ZH 25/41

TR – promieniowanie przejścia

Dete

ction

q,

M.L. Cerry et al., Phys. Rev. 10(1974)3594

simulated Bd0→J/  Ks

0

Kwiecień 2007 ZH 26/41

Inne zjawiska fizyczne - 3

Scyntylacje (tu w krysztale) Ale też organiczne (stałe i ciekłe)

Kwiecień 2007 ZH 27/41

Scyntylacje - pomiar światła

PhotoCathode

Dynodes

Systemy wyzwalania

Kalorymetria Pomiar śladu

Anode

Kwiecień 2007 ZH 28/41

Jak używamy jonizacji ? - 1

VOLTS

6

I. Stwierdzić że była !

II. Zmierzyć jej wielkość

Kwiecień 2007 ZH 29/41

Jak używamy jonizacji ? - 2

Detektory mierzące ślady – gazowe Wzmocnienie gazowe

MWPC – G. Charpak – nagroda Nobla 1992

Kwiecień 2007 ZH 30/41

Komory dryfowe

anode

TDCStartStop

DELAYscintillator

drift

low field region drift

high field region gas amplification

Kwiecień 2007 ZH 31/41

Jak używamy jonizacji ? - 2

p, q,

Detektory mierzące ślady – ciało stałe Różne konfiguracje

Kwiecień 2007 ZH 32/41

Pomiar śladu - mozaika

Możliwe miliony sensorów

Kwiecień 2007 ZH 33/41

Pomiar śladu

Pomiary wtórnych wierzchołków oddziaływania

Pomiary topologii Pomiar pędu

(+magnesy)

Kwiecień 2007 ZH 34/41

Pomiar pędu

Pomiar śladu oraz system magnesów Dla stałej tarczy – dipole Dla zderzaczy -

Kwiecień 2007 ZH 35/41

Pomiar energii - 1

Całkowite ‘zniszczenie’ cząstki i absorpcja jej energii (+pomiar topologii) Próbkujące – konwerter + pomiar jonizacji Jednorodne (kryształy)

Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA

Kwiecień 2007 ZH 36/41

Pomiar energii - 2

Kalorymetry elektromagnetyczne i hadronowe

Kwiecień 2007 ZH 37/41

Identyfikacja cząstek - 1

Pomiar pędu + pomiar prędkości ->> możemy zmierzyć

masę TOF – czas przelotu

Promieniowanie przejścia (elektron-hadron) Pośrednio – wygląd kaskady (shower)

Ze śladem lub bez w ‘trakerze’ (e/γ) Pomiar jonizacji (dE/dx)

Kwiecień 2007 ZH 38/41

Identyfikacja cząstek - 2

TOF – czas przelotu (pomiar pędu konieczny)

Kwiecień 2007 ZH 39/41

Identyfikacja cząstek - 2

Pomiar jonizacji (dE/dx) W gazie (TPC) W ciele stałym

(detektorach Si)

Kwiecień 2007 ZH 40/41

Główne wyzwania

Śmiertelne promieniowanie Ogromne częstości zdarzeń i wielka

krotność cząstek w zdarzeniu Jakość produkcji przy unikalnym

wytwarzaniu (wymagania kosmiczne) – brak możliwości serwisu

Miniaturyzacja – wielka gęstość elementów czynnych – chłodzenie i zasilanie

Kwiecień 2007 ZH 41/41

Podsumowanie

Bardzo pobieżne i płytkie spojrzenie na dziedzinę fizyki która raz na ‘naście lat przynosi nagrodę Nobla

Rozwój i postęp możliwy dzięki rozwojowi elektroniki

Trudne zadanie dla młodzieży – dziś projekt trwa ‘naście’ lat (zaczęliśmy w końcu lat 80-tych) i kontynuuje drugie tyle