Zasady pomiarów cyfrowych NARZĘDZIA FIZYKI CZĄSTEK ELEMENTARNYCH CZĄSTKI ELEMENTARNE Wykład monograficzny Henryk Szydłowski Zasady pomiarów cyfrowych NARZĘDZIA FIZYKI CZĄSTEK ELEMENTARNYCH Wiedza o cząstkach elementarnych
NARZĘDZIA FIZYKI CZĄSTEK ELEMENTARNYCH The Stanford Linear Collider (SLC) Szydłowski, Poznań Budowa SLAC Akcelerator liniowy Detektor SLAC Vertex Detector Detektory G-M Detektor Czerenkowa Kalorymetry
Współczesna aparatura do badania cząstek elementarnych http://www2.slac.stanford.edu/vvc/experiments/slc.html; http://www2.slac.stanford.edu/vvc/experiments/sld.html; http://www2.slac.stanford.edu/vvc/detectors/vertex.html; http://www2.slac.stanford.edu/vvc/detectors/driftchamber.html; http://linac2.home.cern.ch/linac2/L3lwww.jpg http://ps-div.web.cern.ch/ps-div/PSComplex/accelerators.pdf Jest przykładem największej koncentracji pomiarów wspomaganych komputerowo.
W jaki sposób badano cząstki elementarne w I połowie XX wieku W jaki sposób badano cząstki elementarne w I połowie XX wieku Oto ślady cząstek elementarnych w kliszy fotograficznej „Naświetlenie” kliszy następuje wzdłuż toru ruchu cząstki Trzeba dokonać identyfikacji każdego śladu.
W promieniowaniu kosmicznym obserwowano „Kaskady”
Hipoteza neutrina Heisenberga
Kreacja i anihilacja cząstek Każdy lepton i barion ma swoją antycząstkę Spotkanie pary cząstka – antycząstka prowadzi do anihilacji Kwant gamma i wystarczająco dużej energii w silnym polu elektrycznym jądra może utworzyć parę cząstka – antycząstka. Cząstka neutralna może rozpaść się na dwie cząstki o przeciwnych ładunkach W ten sposób tworzą się kaskady
Jeden z największych „przyspieszaczy” The Stanford Linear Collider (SLC) zbudowany w latach 1983 - 1989. pozwala osiągnąć zakres energii, w którym można wytwarzać dużą liczbę cząstek Z0
The Stanford Linear Collider (SLC) Stanowi poszerzenie 2 milowego akceleratora liniowego i pozwala wytwarzać elektrony i pozytony o energii 50 GeV Dumping rings skupiają wiązkę tworząc z niej „paczkę”. Arc bending doprowadzają wiązki do pojedynczego punktu zderzenia. Złożony układ ogniskujący redukuje wymiary poprzeczne wiązki do średnicy znacznie mniejszej od włosa ludzkiego. Przeciwbieżne wiązki zderzają się tylko raz z najwyższą możliwą energią względną.
Akcelerator liniowy
The SLAC Large Detector (SLD) do badania spolaryzowanych cząstek Z i bozonów Z0 wytwarzanych w zderzeniach spolaryzowanych elektronów i pozytonów. Ma niemal 20 m wysokości.
SLD Vertex Detector określa tor cząstek naładowanych z dokładnością do 10-8 cm Wygląd zewnętrzny i przekrój .
Budowa Vertex Detector Pokazano rozmieszczenie elementarnych CCD To wielowarstwowy układ „kamer” CCD wielkości znaczka pocztowego Każdy taki element liczy 1000 na 1000 „pikseli”. Otaczają wiązkę koncentrycznymi cylindrami
Sposób wyznaczania torów cząstek w dwóch warstwach kamer Zasada działania: Naładowana cząstka przechodząca przez piksel pozostawia mały ładunek.. Detektor komputerowy identyfikuje ten piksel, a tym samym lokalizuje ślad toru..
„Detektor drutowy” - Drift Chamber otacza Vertex Detector
Budowa i zasada działania liczników Geigera- Millera Licznik G-M Budowa, Zasada działania Georges Charpak Nobel 1992 The multiwire proportional chamber Wielodrutowy licznik proprcjonalny
Budowa „Drift Chamber” zawiera 35 000 precyzyjnie rozmieszczonych drutów (liczników G-M)
Zasada wyznaczania punktu toru cząstki za pomocą trzech drutów ustawionych pod różnymi kątami Wykorzystuje się informację o różnicy czasu dzielącego sygnały w tych drutach
Tor cząstki odtworzony komputerowo z sygnałów z Drift Chamber Lokalizuje 80-krotnie położenie cząstki w czasie przebiegu przez grubość detektora z dokładnością do kilku tysięcznych cala. Z zakrzywienia toru (w polu magnetycznym) można obliczyć ładunek cząstki
Promieniowanie Czerenkowa Ruch cząstki naładowanej powoduje chwilową polaryzację dielektryka – każda cząstka jest źródłem fali elektromagnetyczną. Fala ta nie jest spójna przy v<c. Dla v>c fale są spójne na powierzchni stożka świetlnego i następuje wzmocnienie. Jest to promieniowanie Czerenkowa Promieniowanie Czerenkowa jest analogią do fali uderzeniowej samolotów naddźwiękowych
Ilustracja powstawania promieniowania Czerenkowa Im mniejsza prędkość, tym kat stożka mniejszy. Kąt maleje do 0 przy prędkości v = c.
Detektory Czerenkowa Cerenkov Ring Imaging Detector (CRID) Detekcja światła (niebieskiego). Światło to jest wykrywane w komórce z etanem domieszko-wanym egzotycznym zw. chem. TMAE. Powstaje pierścień ładunku elektrycznego
Kalorymetry – mierniki energii Warstwa wewnętrzna (kolor niebieski) - liquid argon calorimeter - pomiar energii elektronów i pozytonów Zewnętrzna warstwa (kolor żółty): Warm Iron Calorimeter - pomiar energii hadronów Tylko neutrina nie są rejestrowane przez wszystkie kolejne warstwy detektorów.
Zasady pomiaru energii cząstek http://www2. slac. stanford Kalorymetry argonowe są detektorami energii cząstek, która w kalorymetrach musi być całkowicie wytracona przez tworzenie kaskady. Cząstki kaskady jonizują argon kolektora dając sygnały napięcia w licznikach kolejnych warstw kalorymetru aż do wyczerpania energii. Energię cząstki pierwotnej oblicza się z całkowitej liczby cząstek kaskady. „Argonowe” kalorymetry nie mierzą energii mionów i hadronów o masie znacznie większej od elektronu, bo za słabe jest pole elektryczne jądra
Kalorymetry argonowe Pierwsze warstwy detektorów wykrywają tylko cząstki naładowane. Detektory z ciekłym argonem wykrywają cząstki neutralne. Są to płytki ołowiu oddzielone przestrzenią wypełnioną w czasie pracy ciekłym argonem. W ołowiu powstaje kaskada. Układy elektroniczne mierzą rozmiary kaskady (miara energii cząstki pierwotnej).
Detektor hadronów Hadrony nie oddziałują z polem elektromagne-tycznym jądra, ale z protonami i neutronami (mogą je nawet wybić z jądra) i też tworzą kaskady. Detektorem hadronów jest Warm Iron Calorimeter złożony z 14 warstw żelaza oddzielonych setkami pudełek napełnionych gazem pracującymi jak Drift Camber rejestrują miejsce przejścia cząstki. Detektor kryształu Cesium iodide połaczony z detektorem fotonów