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. Kwiecień 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 Kwiecień 2007

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

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

Różne konfiguracje Kwiecień 2007

Składniki każdego eksperymentu Muon chambers Identification Kwiecień 2007

Co mierzyć ? Tory (topologia przypadku, wtórne wierzchołki) Energię (hadronową i elektromagnetyczną) Pęd (pomaga w identyfikacji) Identyfikować (jaka cząstka ?) zwykle przez pomiar prędkości Kwiecień 2007

????????? 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

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

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

Zapis tylko optyczny - fotografia Historia - niedawna Zapis tylko optyczny - fotografia Trochę ‘późno’ ! Kwiecień 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 Kwiecień 2007

Jonizacja – straty dE/dx Rozproszenie nierelatywistyczne – ‘rutherfordowskie Formuła Bethe-Bloch Kwiecień 2007

Jonizacja + Efekt gęstości Pojęcie cząstek MIP – minimalnie jonizujących Kwiecień 2007

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

Elektrony Trochę inaczej – bo lekkie (e+/e-) Znacznie wcześniej min jonizacji Promieniowanie hamowania Kwiecień 2007

A fotony ? Neutralny Fotoefekt Rozpraszanie comptonowskie Kreacja par Einstein + Planck Rozpraszanie comptonowskie Kreacja par Kwiecień 2007

A fotony ? Neutralny Fotoefekt Rozpraszanie comptonowskie Einstein + Planck Rozpraszanie comptonowskie Produkcja par Kwiecień 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 Kwiecień 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) Kwiecień 2007

Inne zjawiska fizyczne -1 Promieniowanie czerenkowskie Progowe Imaging Kwiecień 2007

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

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

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

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

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

Jak używamy jonizacji ? - 2 Detektory mierzące ślady – gazowe Wzmocnienie gazowe MWPC – G. Charpak – nagroda Nobla 1992 Kwiecień 2007

Komory dryfowe Kwiecień 2007

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

Pomiar śladu - mozaika Możliwe miliony sensorów Kwiecień 2007

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

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

Pomiar energii - 1 Całkowite ‘zniszczenie’ cząstki i absorpcja jej energii (+pomiar topologii) Próbkujące – konwerter + pomiar jonizacji Jednorodne (kryształy) Kwiecień 2007 Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA

Pomiar energii - 2 Kalorymetry elektromagnetyczne i hadronowe Kwiecień 2007

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

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

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