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Teilchenidentifikation mit Cherenkov- Detektoren Rüdiger Reuter

Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren Rüdiger Reuter

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Page 1: Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren Rüdiger Reuter

Teilchenidentifikation mit

Cherenkov-Detektoren

Rüdiger Reuter

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Inhalt

• Motivation

• Entstehung der Cherenkov-Strahlung

• Radiatormaterialien

• Detektorsysteme– Delphi– BaBar

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Motivation• Teilchenidentifikation geladener Teilchen in

Hochenergiephysik Experimenten– Zusammensetzung eines Hadronenstrahls in

Zählratenexperimenten– Vermessung von Vierer-Vektoren

• Bestimmung des Impulses:– Spurrekonstruktion eines geladenen Teilchens im

Magnetfeld (z.B.Driftkammer)

– Bestimmung der Energie:– Energiebestimmung aus Geschwindigkeit– Ausnutzung des Cherenkov-Effekts =>v =>m => Identität

rBqpvmr

vmBvq

2

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Pawel Alexejewitsch Tscherenkow

• Russischer Physiker• * 28.Juli 1904• † 6.Januar 1990• 1958 Nobelpreis für

die Entdeckung und Interpretation des Cherenkov-Effekts

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Entstehung von Cherenkov-Strahlung

- Cherenkov-Strahlung entsteht, wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Medium mit Brechungsindex n schneller bewegt, als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium.

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Cherenkov-Kegel

cos

1

nnv

c

tv

tnc

•Durch Messung des Emissionswinkels ist Rückschluss auf die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens möglich!

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Beispiel für Cherenkov-Strahlung

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Emittierte Photonen

21

1222222

2 sin2)1

1(22

1

z

d

nz

dx

dN

)1

1(490sin49022

121

ncmcm

dx

dN

Für einfach geladene Teilchen im optischen bzw. nahen UV Bereich 400nm<λ<700nm (da Nachweis mit photosensitiven Detektoren):

=>typischerweise 1 bis 100 Photonen pro cm

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Emittierte Photonen

Der durch den Cherenkov-Effekt hervorgerufene Energieverlust ist klein gegen die Gesamtenergie!

eVnm

ch

chfhE 3

400

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Radiatoren

Material n β-Schwelle Photonen/cm

Luft* 1,00029 0,9997 0,3

Pentan* 1,0017 0,9983 2

Aerogel 1,025-1,075 0,93-0,98 24-66

Wasser 1,33 0,75 213

Bleiglas 1,67 0,6 314

Quarz 1,54 0,65 283

C5F12* 1,0018 0,9982 2

C6F14 1,28 0,781 190

* Bei Normaldruck0

0 )1()1( ppnn

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Radiatoren

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Detektorsysteme• Ein Cherenkovdetektor besteht aus:

– Radiator– Photosensitiven Detektor zum Nachweiß der

Cherenkov-Photonen

• Es gibt u.a. folgende Systeme:– Schwellen-Detektoren– Differentielle Detektoren– Ring-Image-Cherenkov-Detektoren (RICH)

• Beispiele: Delphi, BaBar

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Schwellendetektoren• Erlauben Aussage über v größer oder kleiner als c/n

durch Ausnutzen der Cherenkov-Schwelle

• Hintereinanderschaltung mehrerer unterschiedlicher Radiatoren ermöglicht Teilchenunterscheidung

• Nur für festen Impuls!

• Keine Winkelmessung möglich!

nn

cv

11

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Differentielle Detektoren• Zielsetzung: Zählratenmessung von

Hyperonen(Σ,Ξ)

• Funktionsprinzip: – Blende deckt Winkelbereich ab– Gasdruck ändert n (linear) =>Winkeländerung

• Zerfallslänge(20GeV) 57cm => kompakter Detektor

Masse Σ :1197 MeV/c^2

Masse Ξ :1321 MeV/c^2

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Differentielle Detektoren

n

1cos- Keine Gleichzeitige Messung

für unterschiedliche Impulse und Winkel!

Korrekturlinsen: Korrekturlinsen:

Δβ=2e-4 -> Δβ=5e-5Δβ=2e-4 -> Δβ=5e-5

Länge: 48cm

Θ=120mrad

Δβ=5e-5

00 )1()1( p

pnn

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Differentielle Detektoren

n

1cos

),,,,( Kp

P=20GeV

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RICH Detektoren

• Differentielle oder Schwellendetektoren lassen sich nicht für Exp. Einsetzen, wo eine hohe Raumwinkelabdeckung erforderlich ist z.B. Collider =>RICH

• Abdeckung fast des gesamten Raumwinkels möglich

• Messung des Cherenkov-Winkels

• Großer Impulsbereich kann abgedeckt werden

Page 18: Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren Rüdiger Reuter

RICH Detektoren

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Delphi Detektor am CERN

• Von 1989 bis 2000 am Cern

• Untersuchung der schwachen Wechselwirkung

• Symmetrischer Collider

WWZZZee ,, 000

GeVEcm 18291

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• Barrel RICH– 3,5 Meter lang

– Deckt Winkel von 40° bis 140° ab

– Außendurchmesser: 385cm

– Innendurchmesser: 260cm

– =>Dicke: 125cm

– Identifizierung von geladenen Hadronen (π,K,p) über einen großen Impulsbereich

Delphi Detektor am CERN

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Barrel RICH

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Barrel RICH

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Rekonstruktion Λ->Kπ

• Die Messwerte des Cherenkov-Detektors helfen aber bei der Rekonstruktion eines Λ– Leichtere Identifizierung der

Teilchen

– Reduktion des Untergrunds um Faktor 2

p

p

E

P

E

P

E

P

22 )()( ppEEm pp

Methode der invarianten Masse

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BaBar Detektor am SLAC

•Läuft seit 1999 am Slac

•Elektronen 9GeV kollidieren mit 3,1GeV Positronen (asymmetrisch)

BBSee )4(

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-Länge: 5m

-Innendurchmesser: 83,6cm

-Außendurchmesser: 85,3cm

- =>Dicke: 1,7cm

-11.000 PMTs

-Standoff-Box: 1,17m

-Winkel: 51,4°-154,5°

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DIRC

144 Quarzstäbe, 5m Lang, 1,7cm dick

-11.000 PMT

-PMT außerhalb des Magnetfelds

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DIRC

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DIRC

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Zusammenfassung

cos1

1n

Cherenkov-Effekt liefert:

Detektortypen:

-Schwellendetektoren

- v > c/n

-Differentielle Detektoren

- Teilchenidentifizierung für Zahlraten

-RICH Detektoren

-Geschwindigkeitsbestimmung => Identität

-Messung über vollen Raumwinkel

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Zusammenfassung

Aus detektiertem Ring kann v bestimmt werden

Teilchenunterscheidung in großen Impulsbereichen

Teilchenidentifizierung reduziert den Untergrund

RICH

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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit