JAK WIDZIMY TO NIEWIDZIALNE czyli WPROWADZENIE DO DETEKCJI CZĄSTEK Z. Hajduk IFJ PAN KRAKÓW

CERN Summer Student Lectures 2005 Referencje Niniejszy wykład korzysta z materiałów i danych zawartych w : oraz CERN Summer Student Lectures 2005 DETECTORS Olav Ullaland, PH Department, CERN. Maj 2007

Cel naszego spotkania ? Mikrokosmosu 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 Maj 2007

Jak robimy eksperyment FWE? Zasada jest prosta: + = Maj 2007

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 Maj 2007

Szczątki (ale nie tylko!) Cos sie musi stac z extra energia… Ale prawdopodobienstwa w naszym wypadku podobne Maj 2007

Prehistoria (< 1950) Klisze fotoczułe (promieniowanie rentgenowskie) Liczniki Geigera-Müllera Płytki scyntylacyjne (eksperyment Rutherforda) Komora mgłowa (Wilson) Bloki emulsji fotoczułej – promieniowanie kosmiczne Maj 2007

Zapis tylko optyczny - fotografia Historia - niedawna Zapis tylko optyczny - fotografia Trochę ‘późno’ ! Komora pęcherzykowa Maj 2007

Co mierzyć ? Tory (topologia przypadku, wtórne wierzchołki) Energię (hadronową czyli niesioną przez hadrony i elektromagnetyczną – tę zawartą w elektronach/pozytonach i fotonach będących produktami oddziaływania) – zasada zachowania energii – pomaga w ‘zobaczeniu’ niewidzialnego Pęd (stosuje się zasadę zachowania pędu dla zbalansowania przypadku; pomaga w identyfikacji) Identyfikować (jaka cząstka ?) zwykle przez pomiar prędkości (znając pęd wyliczymy masę !) Maj 2007

Składniki każdego eksperymentu Muon chambers Identification Maj 2007

????????? Cząstki możemy zobaczyć tylko kiedy oddziałują z materią detektora (stąd neutrina ‘prawie’ niewidzialne) Oddziaływania o których myślimy odbywają się zawsze poprzez oddanie energii medium detektora Przeglądniemy te zjawiska Maj 2007

Użyteczne oddziaływania z materią Oddziałując z detektorem cząstka powinna pozostać pod każdym względem ‘nienaruszona’ - z ważnymi wyjątkami o czym później Czyli – oddziaływania ‘miękkie’ - elektromagnetyczne Maj 2007

1/ Jonizacja - obrazkowo Realizacja w komorze mgłowej Maj 2007

1a/ Jonizacja - słownie Naładowana cząstka przechodząc przez materię traci pewną ilość energii na jednostkę drogi np. M.I.P (Minimum Ionising Particle = cząstka o minimum jonizacji - pion o energii 0.5 GeV wyprodukuje w gazie detektora 70 e/cm). Wielkość jonizacji jest funkcją składu medium, jego gęstości a także prędkości cząstek . Maj 2007

1c/ Jonizacja – straty dE/dx ilościowo Rozproszenie nierelatywistyczne – ‘rutherfordowskie Formuła Bethe-Bloch Maj 2007

1b/ Jonizacja – zjawiska relatywistyczne Pojęcie cząstek MIP – minimalnie jonizujących Efekt gęstości Maj 2007

Jonizacja ++ Fluktuacje w dE/dx (δ-elektrony) Maj 2007

Jonizacja - Elektrony Trochę inaczej – bo lekkie (e+/e-) Znacznie wcześniej min jonizacji Promieniowanie hamowania (dotyczy też innych naładowanych ale przy znacznie wyższych energiach) Maj 2007

A foton ? Neutralny – aby go zobaczyć musi się zmienić w ‘naładowaną’ Fotoefekt Einstein + Planck Rozpraszanie comptonowskie Kreacja par Maj 2007

Oddziaływania fotonów Potem Maj 2007

Detektory oparte na jonizacji Materiały: Krzem, German, Węgiel (diament), Arsenek Galu Technologia: Paskowe Mozaikowe Dryfowe Podział wg materiału w którym następuje jonizacja Gaz Ciało stałe (półprzewodnik) Multi Wire Proportional Chambers MWPC Time Projection Chambers Time Expansion Chambers Proportional Chambers Thin Gap Chambers Drift Chambers Jet Chambers Straw Tubes Micro Well Chambers Cathode Strip Chambers Resistive Plate Chambers Micro Strip Gas Chambers GEM - Gas Electron Multiplier Micromegas – Micromesh Gaseous Structure Maj 2007

Detektory oparte na jonizacji + Wg ról detektora Pomiar śladów Wszystkie ! Identyfikacja Tam gdzie wielokrotny pomiar dE/dx ! (zarówno w gazie jak i ciele stałym) Maj 2007

MWPC – G. Charpak – nagroda Nobla 1992 Jak używamy jonizacji ? Detektory mierzące ślady – gazowe Wzmocnienie gazowe MWPC – G. Charpak – nagroda Nobla 1992 Maj 2007

Komory dryfowe Maj 2007

Jak używamy jonizacji ? - 2 p, q, b Jak używamy jonizacji ? - 2 Detektory mierzące ślady – ciało stałe Różne konfiguracje Maj 2007

Pomiar śladu - mozaika Możliwe miliony sensorów Maj 2007

Inne zjawiska fizyczne - CzR 1 Promieniowanie czerenkowskie Detektory Progowe Obrazujące Maj 2007

Inne zjawiska fizyczne – CzR 2 Pomiar prędkości cząstki jest możliwy poprzez pomiar kąta promieniowania czerenkowskiego. Promieniowanie wyemitowane przez hamującą cząstke (strat energii !) jest spójne i emitowane pod charakterystycznym kątem. Maj 2007

Inne zjawiska fizyczne - 2 Promieniowanie przejścia – TR Tylko wysoko energetyczne e+/- emitują TR o wystarczającej intensywności Maj 2007

TR – promieniowanie przejścia simulated Bd0→J/  Ks0 Detection q, g M.L. Cerry et al., Phys. Rev. 10(1974)3594 Maj 2007

Inne zjawiska fizyczne - 3 Scyntylacje (tu w krysztale) Ale też organiczne (stałe i ciekłe) Maj 2007

Scyntylacje - pomiar światła Anode Photo Cathode Dynodes Systemy wyzwalania Kalorymetria Pomiar śladu Maj 2007

Pomiar śladu Pomiary wtórnych wierzchołków oddziaływania Pomiary topologii Pomiar pędu (+magnesy) Maj 2007

Pomiar pędu Pomiar śladu oraz system magnesów Dla stałej tarczy – dipole Dla zderzaczy - Maj 2007

Pomiar energii - 1 Całkowite ‘zniszczenie’ cząstki i absorpcja jej energii (+pomiar topologii) Poprzez oddziaływanie z materiałem detektora – kalorymetru Hadronowe (kaskady ; oddziaływania jądrowe) Elektromagnetyczne (kaskady; elektrony, fotony) Maj 2007 Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA

Kalorymetry - przykład Próbkujące – konwerter + pomiar jonizacji Jednorodne (kryształy) Maj 2007 Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA

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) Maj 2007

Identyfikacja cząstek - 2 TOF – czas przelotu (pomiar pędu konieczny) Maj 2007

Identyfikacja cząstek - 2 Pomiar jonizacji (dE/dx) W gazie (TPC) W ciele stałym (detektorach Si) Maj 2007

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 Maj 2007

Dziękuję Państwu za uwagę 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 Dziękuję Państwu za uwagę Maj 2007

Różne konfiguracje Maj 2007

depozyt energii -> światło Prehistoria cd Scyntylacje depozyt energii -> światło Jonizacja Maj 2007

Maj 2007

Jak używamy jonizacji ? - 1 Stwierdzić że była ! Zmierzyć jej wielkość Maj 2007