Ubrziva i i detektori u fizici elementarnih estica
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 55

Ubrziva či i detektori u fizici elementarnih čestica PowerPoint PPT Presentation


  • 162 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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.

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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Ubrziva i i detektori u fizici elementarnih estica

Ubrzivači i detektori u fizici elementarnih čestica

Mirko Planinić


Gdje mo ete na i ovo predavanje

Gdje možete naći ovo predavanje ?

http://www.phy.hr/~planinic/nastava.html

Mirko Planinić


Sadr aj

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


Uvod u detekciju estica

Uvod u detekciju čestica

  • Detekcija čestica

Cilj detekcije je izmjeriti čestica u konačnom stanju u sudarima visokih energija.

Manji impuls

Veći

impuls

Mirko Planinić


Uvod u detekciju estica1

Uvod u detekciju čestica

  • Mjerenja čestica u konačnom stanju

    • Stabilne čestice:

      • Fotoni:

      • Leptoni:

      • Hadroni:

    • Nestabilne čestice :

      • Direktna rekonstrukcija: Primjer:

      • Identifikacijaidjelomična rekonstrucija: Primjer:

Mirko Planinić


Ubrziva i i detektori u fizici elementarnih estica

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


Intera kcija estica pri prolasku kroz materiju

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


Intera kcija estica s materijom

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


Me udjelovanje s materijom

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


Me udjelovanje s materijom1

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


Zako no zra enje

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


Me udjelovanje s materijom2

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


Erenkovljev o zra enje

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


Erenkovljevi detektori

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


Intera kcija fotona s materijom

Interakcija fotona s materijom

  • Fotoelektrični efekt

  • Comptonovo raspršenje

Pretpostavka elektronisukvazi-slobodnii E » mec2:

Atomski Compton udarni-presjek:

PDG, 2004

Mirko Planinić


Intera kcija fotona s materijom1

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


Interakcija s materijom

Interakcija s materijom

  • Usporedba nuklearne interakcijske duljine (u cm) s radijacijskom duljinom (u cm)

I

X0, 0 [cm]

X0

Z

Mirko Planinić


Uvod u detekciju estica2

Uvodu detekciju čestica

  • Detekcija čestica

Scintilatorima

Mirko Planinić


Kalorimetri

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


Elektromagnetski kalorimetar

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


Elektromagnetski kalorimetar1

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


Elektromagnetski kalorimetar2

Elektromagnetski kalorimetar

Elektroni i pozitroni velike

energijezakočno zračenje

+ produkcija parovapljusak

Mirko Planinić


Hadronski kalorimetar

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


Mnogo i ane komore

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


Ostale ionizacijske komore

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


Ostale ionizacijske komore1

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


Poluvodi ki detektori

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


Poluvodi ki detektori usporedba s ionizacijskim detektorima

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


H ibridni detektori

Hibridnidetektori

Eksperimenti u FEČ Istovremena detekcija više čestica

Redoslijed detekcije čestica ilustriran je na slici:

Mirko Planinić


Ubrziva i i detektori u fizici elementarnih estica

Transverse slice through CMS detector

Click on a particle type to visualise that particle in CMS

Press “escape” to exit

Mirko Planinić


Star experiment

STAR experiment

Mirko Planinić


Ubrziva i i otkri a novih estica

Ubrzivači i otkrića novih čestica

  • Najvažnija otkrića novih čestica nakon primjene ubrzivača

Mirko Planinić


Ubrziva i i detektori u fizici elementarnih estica

Za vidjeti najmanje čestice:

potrebne su najveće energije!

E = mc2

Mirko Planinić


E mc 2

E = mc2

Mirko Planinić


U ranjanje u subatomski svijet

Uranjanje u subatomski svijet

  • Da bismo “elektronskim mikroskopom” postigli rezoluciju

    treba elektrone ubrzati na energiju

Mirko Planinić


Mo emo li koristiti kozmi ke zrake

Možemo li koristiti kozmičke zrake ?

Mirko Planinić


Van de grafov ubrziva

Van de Grafov ubrzivač

Što je ograničavajući faktor?

Mirko Planinić


Princip rada linearnog ubrziva a

Princip rada linearnog ubrzivača

  • SIMULACIJA

Mirko Planinić


Linearni ubrziva

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


Kru ni ubrziva ciklotron

Kružni ubrzivač (ciklotron)

Mirko Planinić


Ostali kru ni ubrziva i

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


Betatron

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


Ograni avaju i faktori kru nih ubrziva a

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


Ubr zavanje estica

Ubrzavanje čestica

televizija je ubrzivac čestica u malom!

Mirko Planinić


Sudariva i

Sudarivači

Mirko Planinić


Ubrziva i

M. Tigner, Physics Today, January 2001

Ubrzivači

Mirko Planinić


Lep lhc

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


Tevatron

CDF

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


Ubrziva i i detektori u fizici elementarnih estica

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


R hic

New York

City

RHIC

  • Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)

  • Brookhaven National Laboratory (BNL)

  • Long Island , NY

Mirko Planinić


Ubrziva i i detektori u fizici elementarnih estica

Absolute Polarimeter

(H jet)

RHIC pC Polarimeter

Siberian Snakes

PHOBOS

BRAHMS & PP2PP

Lmax = 2 x 1032 cm-2s-1

70% Beam Polarization

50 < √s < 500 GeV

PHENIX

Siberian Snakes

STAR

Spin Rotators

Partial Siberian Snake

2  1011 Pol. Protons / Bunch

 = 20  mm mrad

FY02 devices

Pol. Proton Source

500 mA, 300 ms

LINAC

BOOSTER

FY03 devices

AGS Internal Polarimeter

200 MeV Polarimeter

AGS

FY03 and beyond

AGS pC Polarimeter

Rf Dipoles

RHIC-spin

  • RHIC performanseu FY02:

  • RHIC performanseu FY03:

  • Energija snopa: 100 GeV

  • Luminoznost:  5 • 1029 s-1 cm-2

  • Integrirana luminoznost:  0.3pb-1

  • Bunch crossing time: 213ns

  • Polarizacija:  0.2 (transverse)

  • Energija snopa: 100 GeV

  • Luminoznost:  2 • 1030 s-1 cm-2

  • Integrirana luminoznost:  0.5 pb-1(transferzalna)

     0.4 pb-1 (longitudinalna)

  • Bunch crossing time: 213ns

  • Polarizacija:  0.3 (transferzalnai longitudinalna)

Mirko Planinić


Standardni model

Standardni model

Gravitacija

Elektomagnetska

Jaka

Slaba

Mirko Planinić


Za to cms i lhc

Zašto CMS i LHC ?

Standardni Model odgovara na mnoga pitanja o strukturi i stabilnosti materije sa svojih 6 vrsta kvarkova, 6 leptona i 4 sile

  • No isto tako ostavlja i mnoga otvorena pitanja:

  • Zašto postoje tri vrste kvarka i leptona za svaki naboj?

  • Da li postoji neka zakonitost u njihovim masama?

  • Da li na višim energijama možemo očekivati još novih čestica i sila?

  • Da li kvarkovi i leptoni imaju podstrukturu?

  • Koje čestice čine tamnu materiju u svemiru?

  • Kako bi se gravitacijske interakcije mogle uključiti u standardni model?

Mirko Planinić


Higgs ov mehanizam

Higgsov mehanizam

1

Zamislite da je dvorana, puna fizičara

koji časkaju, kao prostor ispunjen

Higgsovim poljem...

2

Jako poznati znanstvenik ulazi iznenada

u dvoranu privlačeći skup (cluster)

obožavatelja svakim svojim korakom

Mirko Planinić


Higgs

Higgs

3

...to povečava njegov otpor prema gibanju

tj. dobiva masu kao i čestica koja se giba kroz

Higgsovo polje...

4

Ako vijest prijeđe u susjednu dvoranu ...

...stvara opet cluster (skup) znanstvenika

ali ovaj puta izmedju njih samih ...

U toj analogiji clusteri su Higgsove čestice.

5

Mirko Planinić


  • Login