1 / 55

Ubrziva či i detektori u fizici elementarnih čestica

Ubrziva či i detektori u fizici elementarnih čestica. Gdje možete naći ovo predavanje ?. http://www.phy.hr/~planinic/nastava.html. Sadržaj. Mnogožičane komore. Hadronski kalorimetar. Elektromagnetski kalorimetar. Poluvodički detektori. Čerenkov ljevi detektori.

jirair
Download Presentation

Ubrziva či i detektori u fizici elementarnih čestica

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Ubrzivači i detektori u fizici elementarnih čestica Mirko Planinić

  2. Gdje možete naći ovo predavanje ? http://www.phy.hr/~planinic/nastava.html Mirko Planinić

  3. Sadržaj • Mnogožičane komore • Hadronski kalorimetar • Elektromagnetski kalorimetar • Poluvodički detektori • Čerenkovljevidetektori • Hibridni detektori (STAR, ATLAS) • Od ubrzivača do suprasudarivača • Interakcija čestica s materijom • Sažetak Mirko Planinić

  4. Uvod u detekciju čestica • Detekcija čestica Cilj detekcije je izmjeriti čestica u konačnom stanju u sudarima visokih energija. Manji impuls Veći impuls Mirko Planinić

  5. Uvod u detekciju čestica • Mjerenja čestica u konačnom stanju • Stabilne čestice: • Fotoni: • Leptoni: • Hadroni: • Nestabilne čestice : • Direktna rekonstrukcija: Primjer: • Identifikacijaidjelomična rekonstrucija: Primjer: Mirko Planinić

  6. Uvod • Najvažniji zadaci detektora • Mjerenje položaja: Odrediti točke prolaza nabijenih čestica(“hits”) • Tragovi: rekonstrukcija putanje čestica uz upotrebu nekoliko mjerenih položaja točaka uzduž putanje • Mjerenje impulsa: Mjerenje impulsa nabijenih čestica unutar magnetskog polja iz rekonstrukcije zakrivljenosti putanje • Mjerenje energije: Deponiranje energije čestice u dijelu detektora • Identifikacija čestica: Masaivrijeme proleta • Određivanje naboja čestice: Zakrivljenost nabijenih čestica u magnetskom polju • Okidanje (trigger): Okidanje detektora na “zanimljivim” događajima • Data acquisition: Isčitavanje “događaja” i spremanje nakon okidanja Mirko Planinić

  7. Interakcija čestica pri prolasku kroz materiju • Pregled interakcija Lead (Z=82) • Čestice stvorene u visokoenergijskim sudarima međudjeluju elektromagnetski i /ili nuklearno pri prolasku kroz materijal detektora • Glavni procesi za nabijene čestice su: • Ionizacija • Čerenkovljevo zračenje • Zakočno zračenje C. Fabjan, 1987 • Glavni procesi za fotone: Lead (Z=82) • Fotoelektrični efekt • Comptonovo raspršenje • Produkcija parova • Fotoni prodiru dublje u materiju nego nabijene čestice • Snop fotona ne gubi energiju prolaskom kroz materiju nego intenzitet C. Fabjan, 1987 Mirko Planinić

  8. Interakcija čestica s materijom • Ionizacija • Bethe-Bloch jednadžba: Prosječan gubitak energije PDG, 2004 -dE/dxjedinicama: (MeV/cm)/(g/cm3)=(MeV cm2/g) -dE/x za nabijene čestice: M » me Minimum na približno.: (-dE/dx relativističkih čestica: Približno minimum-ionizing particle (MIP) Note: Korekcije za gustoću () iljuske (C) navisokimandniskim energijama, respektivno -dE/dx za elektrone modificiran zbog kinematike i spinaupadnog elektronaselektronima iz materijala. gdje je: Mirko Planinić

  9. Međudjelovanje s materijom • Ovisnost o materijalu • Ionizacija • Slaba ovisnost jer je: Z/A ≈ 0.5: PDG, 2004 • Scintillator: dE/dx|min ≈ 2MeV/cm • Tungsten: dE/dx|min ≈ 22MeV/cm Mirko Planinić

  10. Međudjelovanje s materijom • Ionizacija • Ovisnost o masi čestice • STAR Time-Projection Chamber (TPC): 10% Methan / 90% Argon (2mbar iznad atmosferskog tlaka) • Minimum u  ≈ 3 se dešava za fiksni impuls p na raznim mjestima u ovisnosti o masi čestice. • To je način identifikacije čestica na malim impulsima. • Primjer: Mp/M ≈ 10 PDG, 2004 Mirko Planinić

  11. Zakočno zračenje Gubitak energije elektrona zračenjem: Radijacijska duljina X0 je debljina medija koja reducira srednju energiju snopa elektrona za faktor e. Kritična energija Ec je energija kod koje je gubitak energije na zračenje jednak gubitku energije na ionizaciju. Mirko Planinić

  12. Međudjelovanje s materijom • Bremsstrahlung... Zakočno zračenje • Zračenje realnih fotona u Coulonovom polju jezgre apsorbera: Srednji gubitak energije zračenjem Efektigra uloguza e+/- i ultra-relativističke mione (> 1 TeV) ((m/me)2 ≈ 4·104) Cu (Z=29) Kritična energija: Ec C. Fabjan, 1987 Ec PDG, 2004 Mirko Planinić

  13. Čerenkovljevo zračenje Čerenkovljev efekt nastaje kad se nabijena čestica kreće brzinom većom od c/n (brzinom svjetlosti u tom mediju) gdje je • c brzina svjetlosti u vakuumu • n index loma u tom sredstvu  Emitira se “udarni val” fotona Mirko Planinić

  14. Čerenkovljevi detektori Svojstva čerenkovljevih detektora • Mjerenjem kuta mjerimo brzinu • Dominira plava svjetlost Broj fotona ~ λ-valna duljina Primjena čerenkovljevih detektora • Detektori praga (razdvajanje čestica istog impulsa a različitih masa) • Identifikacija čestica (RICHSTAR) Mirko Planinić

  15. Interakcija fotona s materijom • Fotoelektrični efekt • Comptonovo raspršenje Pretpostavka elektronisukvazi-slobodnii E » mec2: Atomski Compton udarni-presjek: PDG, 2004 Mirko Planinić

  16. Interakcija fotona s materijom • Proizvodnja parova • Apsorpcijski koeficijent Ukupna vjerojatnost međudjelovanja fotona s materijom: X0 (Pb) = 6.4 g/cm2 Vjerojatnost po jedinici duljine ili ukupni apsorpcijski koeficijent (inverz od apsorpcijske duljine  ): PDG, 2004 Mirko Planinić

  17. Interakcija s materijom • Usporedba nuklearne interakcijske duljine (u cm) s radijacijskom duljinom (u cm) I X0, 0 [cm] X0 Z Mirko Planinić

  18. Uvodu detekciju čestica • Detekcija čestica Scintilatorima Mirko Planinić

  19. Kalorimetri Energija i pozicija čestica se može mjeriti metodama totalne apsorpcije : • Ulazna čestica interagira u detektoru velike mase, stvarajući sekundarne čestice ...pljusak. • Gotovo sva početna energija čestice se pojavljuje ili kao ionizacija ili kao pobuđenje medija ”kalorimetar” • Nužni su za određivanje energije neutralnih hadrona. • Energijska rezolucija ~ dobra na vis. Energ. • Kalorimetri daju brzu (100 ns) inf. o ukupnoj energiji Mirko Planinić

  20. Elektromagnetski kalorimetar • Energija čestice na dubini t bit će • Proces se nastavlja dok ne bude • kad ionizacija počinje biti važna a zračenje prestaje. • Maximum pljuska će se desiti na: • Broj čestica u maksimumu bit će: Zakočno zračenje i proizvodnja parova stvaraju u kaskadi elektromagnetski pljusak Pretpostavimo da : • E0 – energija primarnog elektrona • X0 - radijacijska dužina • Elektron nakon prolaska kroz X0 emitira foton energije • Pri prolasku kroz jos jednu X0 foton se pretvori u e-e+ par (svaki od njih ima ene. ) • Nakon t radijacijskih duljina imat ćemo čestica (fotona,elektrona,pozitrona) • Suma duljina tragova u cijelom pljusku • (u radijacijskim duljinama) je: Mirko Planinić

  21. Elektromagnetski kalorimetar ZADATAK Eksperiment s protonskim raspadom se može izvesti upotrebom velikog spremnika za vodu kubičnog oblika kao izvora protona, a mogući mod raspada se treba detektirati Čerenkovljevim svjetlom emitiranim kada elektromagnetski pljuskovi iz produkata raspada prolaze kroz vodu. Kako velik treba biti spremnik za vodu da bi sadržavao takve pljuskove ? Izračunajte sumu svih duljina tragova pljuska u jednom događaju, a od tuda i ukupni broj fotona emitiranih u vidljivom području (λ=400-700 nm). Svjetlo treba detektirati poljem fotomultiplikatora smještenih na vodenoj površini. Optička transmitivnost vode je 20 %, a efikasnost fotokatode je 15 %. Koji dio površine treba biti pokriven fotokatodama da se dobije energijska rezolucija 10 % ? Uzmite da se Čerenkovljevim zračenjem u vidljivom djelu spektra emitira 200 fotona cm-1 X0=36.1 cm Rezolucija se odredjuje fluktuacijom ( ) broja čestica u maksimumu (N) gdje je N~E Mirko Planinić

  22. Elektromagnetski kalorimetar Elektroni i pozitroni velike energijezakočno zračenje + produkcija parovapljusak Mirko Planinić

  23. Hadronski kalorimetar Hadronski pljusak : ulazni hadron  neelastični sudar proizvodnja sekundarnog hadrona … • Skala longitudinalnog razvoja ovisi o nukl. aps. duljini λ • (80 gcm-2 (C) , 130 gcm-2 (Fe), 210 gcm-2 (Pb) • λ je velik u odnosu na X0 Hacal su veliki u odnosu na Ecal • Željezo-scintilator longitud.~2m, transverz.~0.5 m • U hadronskoj kaskadi 30 % energije se gubi (razbijanje jezgre,nuklearna pobudjenja, evaporacija neutrona)  upotreba 238U za kaskadni medij Mirko Planinić

  24. Mnogožičane komore Ulazna čestica _Katodna ravnina__________________________ MWC anodne žice _Katodna ravnina___________________________ 2mm • Svaka žica djeluje kao nezavisni proporcionalni brojač • Katode su na neg. pot. (2kV) dok su anode uzemljene • Signal na žici koja okida je negativan i velik • Signal na susjednim žicama je mali i pozitivan • Prostorna rezolucija ~ 1 mm • Razlučivanje više hitaca Mirko Planinić

  25. Ostale ionizacijske komore Driftne (vlačne) komore • Prostorna informacija iz mjerenja vremena pomaka (drifta) elektrona u ionizacijskom dogadjaju Nabijena čestica Drift područje -HV1 +HV2 Anodna žica Scintilacijski brojač Mirko Planinić

  26. Ostale ionizacijske komore Komore vremenske projekcije (time projection chamber) • 3D tračni detektor • Kombinacija vlačne i mnogožičane komore Mag. polje El. polje elektroni MWC Mirko Planinić

  27. Poluvodički detektori • Analogni plinskim ionizacijskim detektorima: • Čestica u prolazu stvara parove elektron-šupljina (elektron-ion) • Umjesto plina medij je poluvodički (čvrsti) materijal • Negativan napon na p-stranu, • pozitivan napon na n-stranu • Veći napon = više aktivnog medija + bolje skupljanje naboja • Previsok napon poluvodič postaje vodič Mirko Planinić

  28. Poluvodički detektori (usporedba s ionizacijskim detektorima) • Eelektron – šupljina<E elektron-ionBolja energijska rezolucija • Bolja moć zaustavljanja od plinskih detektora (veća gustoća) • Male dimenzije (<50 μm)dobra poz. Rezolucija • Veća osjetljivost na zračenje (kraći vijek trajanja) • Detektori male površine (cm2) (svaka trakapojačalo) • Više materijalainterakcija čestica koje detektiramo • Detektori trebaju ponekad hlađenje radi smanjivanja šuma Mirko Planinić

  29. Hibridnidetektori Eksperimenti u FEČ Istovremena detekcija više čestica Redoslijed detekcije čestica ilustriran je na slici: Mirko Planinić

  30. Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit Mirko Planinić

  31. STAR experiment Mirko Planinić

  32. Ubrzivači i otkrića novih čestica • Najvažnija otkrića novih čestica nakon primjene ubrzivača Mirko Planinić

  33. Za vidjeti najmanje čestice: potrebne su najveće energije! E = mc2 Mirko Planinić

  34. E = mc2 Mirko Planinić

  35. Uranjanje u subatomski svijet • Da bismo “elektronskim mikroskopom” postigli rezoluciju treba elektrone ubrzati na energiju Mirko Planinić

  36. Možemo li koristiti kozmičke zrake ? Mirko Planinić

  37. Van de Grafov ubrzivač Što je ograničavajući faktor? Mirko Planinić

  38. Princip rada linearnog ubrzivača • SIMULACIJA Mirko Planinić

  39. Linearni ubrzivač a)lin. ubrz. za Cs-137, f=10MHz, V0=100kV, Ti=1MeV b) električno polje u t=0 (ubacivanje iona) c) električno polje u t=1/2f (f je RF frekvencija) Mirko Planinić

  40. Kružni ubrzivač (ciklotron) Mirko Planinić

  41. Ostali kružni ubrzivači • Sinkrociklotron – • prethodnik sinkrotrona • mag. polje konstantno • rf frekvencija se mijenja da bi se održala sinkronizacija u relativističkom režimu • Sinkrotron • magnetsko polje i rf frekvencija se mijenjaju da bi se čestice održale na stalnom polumjeru Mirko Planinić

  42. Betatron • Zasnovan na principu mag. Indukcije. • Podesan za elektrone. • Konstruiran 1941 (D.W. Kerst). • Uzima se takva promjena toka da omjer v i B u relaciji bude stalan. Mirko Planinić

  43. Ograničavajući faktori kružnih ubrzivača 1) Gubitak energije zračenjem: 2) Istraživanja na malim dimenzijama mali udarni presjek L=broj čestica u jed. vrem./jedinica površine Luminoznost: Vjerojatnost događaja=udarni presjek * luminoznost Za fiksiranu metu 3) Raspoloživa energija: Za sudarivač Mirko Planinić

  44. Ubrzavanje čestica televizija je ubrzivac čestica u malom! Mirko Planinić

  45. Sudarivači Mirko Planinić

  46. M. Tigner, Physics Today, January 2001 Ubrzivači Mirko Planinić

  47. LEP, LHC • LEP and LHC at CERN, Geneva • LEP: Centre-of-mass energy (e+e-) up to 205GeV • LHC: Centre-of-mass energy (pp): 14000GeV = 14TeV • Circuference: 27km Mirko Planinić

  48. CDF DØ Tevatron • World’s Highest Energy proton-anti-proton collider - Tevatron • Centre-of-Mass Energy: Ecm=1.96 TeV • Circumference: 6.85km Chicago  Chicago p Tevatron p Mirko Planinić

  49. Collider experiment: Electron-Proton collisions at HERA (DESY, Hamburg, Germany) HERA Equivalent to fixed target of Ee = 50600 GeV: Ee = 27.5 GeV Ep = 920 GeV Circumference: 6.3km Mirko Planinić

  50. New York City RHIC • Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) • Brookhaven National Laboratory (BNL) • Long Island , NY Mirko Planinić

More Related