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Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik. Das COMPASS-Experiment. Gliederung. Grundlagen des COMPASS Experiments Strahlführung Polarisiertes Target Dilutionkryostat Detektion und Identifikation von Teilchen. COMPASS-Experiment. - PowerPoint PPT Presentation
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Das COMPASS-Experiment
Sonja Kunkel
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Seminar zur Spinphysik
2
Gliederung
1. Grundlagen des COMPASS Experiments
2. Strahlführung
3. Polarisiertes Target
4. Dilutionkryostat
5. Detektion und Identifikation von Teilchen
3
COMPASS-Experiment
• COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy
• Festkörper Target-Experiment mit zweistufigem Spektrometer
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
4
COMPASS-Experiment
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
5
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
6
Myonenprogramm
• Ziel des Myonenprogramms: Messung des Gluonenspin-Beitrags zum Nukleonenspin
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
7
Myonenprogramm
• Untersuchen der Substruktur mittels tiefinelastischer Leptonen-Nukleon-Streuung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
8
Myonenprogramm
• Differentieller Wirkungsquerschnitt (experimentell):
• Differentieller Wirkungsquerschnitt (theoretisch):
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
9
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
10
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
11
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
12
Myonenprogramm
• Identifikation von PGF-Ereignissen:• Open-Charm-Produktion• Nachweis von Hadronen mit hohem Impuls
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
13
Myonenprogramm
• Messung der Doppel-Spin-Asymmetrie:
• Nutze:
Gluonenpolarisation geht direkt in die Asymmetrie ein
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
14
Myonenprogramm
• 2002 – 2004: 6LiD-Target, Myonenstrahl
• 2006: Wiederaufnahme mit longitudinaler Polarisation und neuem 6LiD-Target
• 2007: NH3-Target
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
15
Hadronenprogramm
• Innere Dynamik von Pionen und Kaonen
• Glueball-Zustände
• QCD-Vorhersagen verifizieren
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
16
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
17
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
18
Strahlführung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
• Hadronenabsorber• Durchmesser Myonenstrahl: 8 x 8 mm2
19
Strahlführung
• Impuls: 160 GeV/c• Polarisation: 80%
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
20
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
21
Target aus dem COMPASS-Experiment
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
22
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%
23
Polarisationsrichtungen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
• Zwei Kombinationen:
• Longitudinale Polarisation Messung der Gluonenpolarisation im Nukleon
• Transversale Polarisation Transversity-Verteilung
24
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
25
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
26
Dilutionkryostat
• Helium allgemein
• Erzeugung tiefer Temperaturen
• Prinzipieller Aufbau
• Dilutionkryostat am COMPASS
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
27
Helium allgemein
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• In der Natur nur zwei stabile Isotope:• 4He (Erdgasvorkommen)
Bosonen (I=0)• 3He (Kernreaktionen)
Fermionen (I=1/2)
28
Spezifische Wärme
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion• Bezeichnung:
• Helium-I/Helium-II
29
3He/4He - Mischungen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
30
3He/4He - Mischungen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kritischer Punkt: c=0,67
• T < 0,87K: Phasenseparation• 3He-reich (für T 0K: nahezu reines
3He) • 4He-reich
31
Phasendiagramm
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
32
Endliche Lösbarkeit
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
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
33
Osmotischer Druck
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
34
Erzeugung tiefer Temperaturen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Gasexpansion
• Adiabatische Entmagnetisierung von magnetischen Momenten
• Kryoflüssigkeiten
35
Einfache andere Heliumkryostate
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Badkryostat
• Verdampfungskryostat
36
Badkryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
37
Verdampfungskryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
38
Kühlmechanismus Dilutionkryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
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
39
Prinzipieller Aufbau
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kreislauf in Vakuumbehälter, der sich in 4He-Bad befindet
• Mischkammer, Verdampfer, Gegenstromwärmetauscher
• Zirkulation durch Pumpen am Verdampfer
40
3He/4He-Kreislauf
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
41
Performance
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Eintritt in den Kreislauf
Vorkühlung
Kondensation
Passieren des Wärmetauschers
42
Performance
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
Eintritt in 3He-reiche Phase
Diffusion von 3He über Phasengrenze
43
Kühlleistung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kühlleistung allgemein:
• Umformen und Einsetzen:
44
Kühlleistung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
45
Dilutionkryostat am COMPASS
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
46
Dilutionkryostat - Daten
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Mischkammer aus Mylar (Polyester-Folie)
• Saugleistung des 3He Pumpsystems: 13500 m3/h
• Benötigte Füllmenge 3He: 49 mol
• 442 mol 4He für Mischung
47
Polarisation mit Dilutionkryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
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
48
Polarisation mit Dilutionkryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
49
Kühlleistung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kühlleistung:
• Wärmeleck (Wärmestrahlung & -leitung):
• Hauptquelle: Wärmeleitung der Cavity: 2,3 mW
50
Polarisationsdifferenzen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Verschiedene Kühlleistungen in upstream und downstream
• 70% (30%) 3He-Zirkulation in upstream (downstream) Unterschiedliche maximale
Polaraisation (2 – 3%)
51
Dilutionkryostat am COMPASS
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
52
Detektion u. Identifikation von Teilchen
• Spektrometermagneten SM1 & SM2 Spurrekonstruktion
• Trackingdetektoren• Si-Magnetstreifendetektoren• Detektoren aus szintillierenden Fasern• Gasdetektoren• Myonenfilter
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
53
Detektion u. Identifikation von Teilchen
• Kalorimeter• Hadronische Kalorimeter (HCAL)• Elektromagnetische Kalorimeter
(ECAL)
• Teilchenidentifikation:• Ring Imaging CHerenkov Detektor
(RICH)
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
54
Detektion u. Identifikation von Teilchen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
55
Gluonenpolarisation
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
Das COMPASS-Experiment
Sonja Kunkel
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Seminar zur Spinphysik