JAK WIDZIMY TO NIEWIDZIALNE

Prezentacja na temat: "JAK WIDZIMY TO NIEWIDZIALNE"— Zapis prezentacji:

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

2 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

3 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

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

5 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

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

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

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

9 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

10 Składniki każdego eksperymentu
Muon chambers Identification Maj 2007

11 ????????? 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

12 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

13 1/ Jonizacja - obrazkowo
Realizacja w komorze mgłowej Maj 2007

14 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

15 1c/ Jonizacja – straty dE/dx ilościowo
Rozproszenie nierelatywistyczne – ‘rutherfordowskie Formuła Bethe-Bloch Maj 2007

16 1b/ Jonizacja – zjawiska relatywistyczne
Pojęcie cząstek MIP – minimalnie jonizujących Efekt gęstości Maj 2007

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

18 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

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

20 Oddziaływania fotonów
Potem Maj 2007

21 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

22 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

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

24 Komory dryfowe Maj 2007

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

26 Pomiar śladu - mozaika Możliwe miliony sensorów Maj 2007

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

28 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

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

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

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

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

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

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

35 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

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

37 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

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

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

40 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

41 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

42 Różne konfiguracje Maj 2007

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

44 Maj 2007

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