Detektoren für Elementarteilchen - CERN

Detektoren für Elementarteilchen

Wie funktioniert ein Teilchendetektor ?Was kann / will man messen ?

Warum sind die Detektoren so riesig ?

2 Beispiele ● COMPASS● DELPHI

Christian Joram und Gerhard Mallot

Einer der frühesten Teilchendetektoren …

Photographischer Film

➠ Damit lassen sich Lichtteilchen, sog. Photonen, Röntgenstrahlen und andere Teilchenarten nachweisen.

W. C. Röntgen, 1895Entdeckung der ‘X-Strahlen’

Photopapier/ Film esteht aus AgBr / AgCl

Silberbromid + „Energie“ ➠ metallisches Silber (undurchsichtig, schwarz)

✪ Sehr gute Auflösung (<0.1 mm)

✬ Keine Zeitinformation

✬ Keine schnelle „online“-Auswertung

µ

µ

µµ

(z.Z. immer noch nur als Computersimulation)

H → ZZ → 4µ

Ein „typisches“ Ereignis in einem LHC Experiment bei einer frontalen Kollision zweier Protonen

Aufgrund der hohen Strahlintensität und Energie des LHC entstehen solche Ereignisse 40 Millionen Mal pro Sekunde.

Jedesmal entstehen dabei ca. 3500 Teilchen (geladene und neutrale).

Die Detektoren müssen alle nachweisen und vermessen können, praktisch in Echtzeit.

Was passiert bei einem Zusammenstoss von Elementarteilchen ?

Zeit

Zeit

Fixed Target - ExperimentCollider - Experiment

Wie weist man Elementarteilchen nach ?

Viele verschiedene Methoden wurden entwickelt. Alle basieren irgendwie auf

• Ionisation von Atomen• Anregung von Atomen

→ freie Ladungstraeger (Elektronen) → elektrisches Signal → Verstärkung →Aufzeichnung

a

b

r

E

1/r

a

cathode

anode

gasEthreshold

Prinzip Geiger-Zähler

photodetector

Szintillationsdetektor

Ef

E

valence band

conductance band

h

e

Festkörperdetektor

Was will/kann man messen ?

Charakterisierung eines Elementarteilchens verlangt

• Nachweis seiner Spur. Präzision ~10 µm – 1 mm

• Impuls (Betrag und Richtung). Krümmung der Teilchenbahn im magnetischen Feld. Das geht nur für geladene Teilchen. Aus der Krümmungsrichtung ergibt sich das Ladungsvorzeichen +/-Grosser Impuls → Grosser Krümmungsradius → Grosser Detektor.

• Bestimmung seiner Identität (wenn moeglich). Ist das nachgewiesene Teilchen ein Myon, Pion, Proton, Kaon, Photon, etc. ?

• Bestimmung des Zeitpunkts des Nachweises. Präzision ~1 ns. Das ist wichtig um z.B. Lebensdauern von Teilchen zu messen oder zu prüfen, ob verschiedene Teilchen zum selben Ereignis gehören.

Was macht man mit ungeladenen Teilchen wie Photonen, Neutronen…

Keine Ladung keine Krümmung im Magnetfeld keine Impulsinformation

• Messung ihrer Energie in sog. Kalorimetern. Kalorimeter sind massive schwere Detektoren.

• Ein Kalorimeter „bremst“ ein Teilchen ab und absorbiert es. Die Bewegungsenergie des Teilchens wird letztendlich in ein elektrisches Signal umgewandelt.

• Um hochenergetische Teilchen abzubremsen braucht man viel Platz und Masse! → Grosser Detektor.

N

S

Target

Spurdetektoren

Magnet

Spurdetektoren

Teilchenidentifikation

2 Kalorimeter

Detektoraufbau fürFixed Target - Experiment

p p

Die verschiedenen Detektorkomponenten sind in konzentrischen Schalen um den Kollisions-Punkt aufgebaut.

Jede Schale hat eine besondere Aufgabe, wie Z.B. • Spurnachweis, • Impulsbestimmung, • Energiemessung, • Teilchenidentifikation.

Ein starkes Magnetfeld krümmt die Spuren geladener Teilchen.

MagnetspuleFeldlinien

Detektoraufbau für Collider - Experiment

DELPHI

ca. 8.6 km

60 -

160

m

COMPASS

MUB

HAC

TOF

SOL

HPC

OD

RIB

STIC

VSAT

QUAD (partie du LEP)

Chambre à vide (LEP)

VTX et chambre à vide (DELPHI)

ID

TPC

FCA

RIF

FCB

FEMC

FHAC

HOF

MUF

SMC

MUB HAC TOF SOL HPC OD RIB STIC VSAT QUAD(pa rtie du LEP)

Chambre à vide (LEP)VTXetchamb re à vide (DELP HI)ID TPC

FCA R IF FCB FEM C FHAC HO F MUF SMC

MUB HAC TOF SOL HPC OD RIB STIC VSAT QUAD(pa rtie du LEP)

Chambre à vide (LEP)VTXetchamb re à vide (DELP HI)ID TPC

FCA R IF FCB FEM C FHAC HO F MUF SMC

Magnet

RICH (misst Geschwindigkeit)

Polarisiertes Target

KalorimeterHodoscopes

COMPASS Detektor

µ Strahl

Spurdetektoren

60 m

1m

Zwei 60 cm lange Targetzellen

Supraleitender Magnet (2.5 T)

COMPASS TargetCOMPASS Target

Strahl

Der Myon StrahlDer Myon Strahl

Was ist im Proton?Was ist im Proton?

polarisierter polarisierter MyonstrahlMyonstrahl

gestreutes Myon

gestreutes Myon

ProtonProtonQuarksQuarks

GluonenGluonen

Viel Spass ...Viel Spass ...