第三讲 粒子物理实验方法
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第三讲 粒子物理实验方法. 实验是人们获取粒子基本特性及其相互作用信息的最根本的途径. α - 散射实验 - 有核原子 - 近代物理的里程碑. 高能粒子碰撞是最基本的实验方法. 固定靶实验. 对撞机实验. 3.1 加速器 - 高能粒子束的产生 3.2 粒子碰撞相对论运动学 3.3 粒子磁谱仪. 3.1 加速器 - 高能粒子束的产生. 3.1.1 加速器的基本组成. 带电粒子 ( 包括各种原子核 ) 在电磁场作用下获得能量。这是粒子加速器依据的物理基础。 一般加速器应包括如下几个主要部分:. 1 离子源 ( 电子枪 ).

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第三讲 粒子物理实验方法

  • 实验是人们获取粒子基本特性及其相互作用信息的最根本的途径

α-散射实验-有核原子-近代物理的里程碑

许咨宗USTC


高能粒子碰撞是最基本的实验方法

固定靶实验

许咨宗USTC


对撞机实验

许咨宗USTC


  • 3.1加速器-高能粒子束的产生

  • 3.2粒子碰撞相对论运动学

  • 3.3粒子磁谱仪

许咨宗USTC


3.1加速器-高能粒子束的产生

  • 3.1.1加速器的基本组成

带电粒子(包括各种原子核)在电磁场作用下获得能量。这是粒子加速器依据的物理基础。

一般加速器应包括如下几个主要部分:

1 离子源(电子枪)

2 加速系统 静电场,射频电磁场,微波加速腔

3 离子,电子光学系统--二极磁铁,四极磁铁和各类矫正磁铁等

4 粒子输运系统

5 真空系统

许咨宗USTC


3 1 2 cern
3.1.2 CERN加速器系统

LHC—7TeV

SPS--450GeV

PS--25GeV

LINACI—50MeV

许咨宗USTC


许咨宗USTC



CERN质子同步加速器

环的直径

最大束流能量

  • Syncrotron

磁铁直流功率

磁铁单元数

最大磁场

加速腔数目

射频频率

射频功率

每脉冲质子数

重复周期

环内真空度

许咨宗USTC

输出束直径


LHC-大强子对撞机

许咨宗USTC




LHC-环主要部件一览

许咨宗USTC




BNL-相对论重粒子对撞机。

许咨宗USTC


3.1.3BEPC(北京)

许咨宗USTC



Bepc linac
BEPC-LINAC

许咨宗USTC


3 1 4hirfl csr
3.1.4HIRFL_CSR(兰州)

许咨宗USTC



CSR主要性能指标

许咨宗USTC


Magnets for CSRm

许咨宗USTC



主环已安装

10-11mbar

许咨宗USTC


β

10-1

100

10+1

10+3

10+5

10+7

p

MeV

粒子

电子

.192052

.890475

.998696

.999999

.999999

.999999

.511

μ

9.4607-4

9.4603-3

.094186

.994460

.999999

.999999

105.7

π

7.1633-4

7.1631-3

.071450

.990396

.999999

.999999

139.6

质子

1.0658-4

1.0658-3

.010657

.729246

.999956

.999999

938.3

3.2粒子碰撞相对论运动学

许咨宗USTC


3 2 1 lorentz
3.2.1 Lorentz变换下的不变性

逆变矢量:

协变矢量:

β

许咨宗USTC


*两惯性系四矢量间的联系

许咨宗USTC


*Lorentz变换下的不变量

*光锥

右图表示发生在四时空中的过程的

时空轨迹,轨迹某点的斜率是事件

进程的速度的倒数:

任何’真实‘事件的演化速率都是小于光速!!

许咨宗USTC


β= 1,

事件过程沿 t=x 或t=-x的直线。(t,x)平面绕 t轴旋转得到一个锥,称为光锥。沿锥面的事件过程,传递速度为光速。称为类光事件。两事件的时空间隔

β 〈 1

事件过程传递速度小于光速事件落在以 t 为轴的亮锥内,称类时事件。

β〉 1

事件发生在以x- 为轴的黑锥内,称这类事件为类空事件(一般属于虚过程

例如沿t-轴事件

例如沿x-轴事件

许咨宗USTC


3 2 2

由式(3.4),(3.5)把两参考系的四时空和四动量的各个分量联系起来,

其中动量中心系的相对运动速度

3.2.2动量中心系和实验室系

实验室系K:

K

K'

动量中心系K':

βc

许咨宗USTC


事件:

产生

衰变

产生

衰变

(t1,x1)

(t2,x2)

(t‘1,x’1)

(t‘2,x’2)

平均寿命:

由式(3.4)的逆变换得:

产生和衰变在同一空间点

1,飞行的不稳定粒子寿命变长

K'

βc

K

许咨宗USTC


*不同动量的宇宙线μ到达海平面的概率

p=mβγ

存活的概率,t-产生点抵达海平面的飞行时间:d-产生点抵达海平面

的飞行距离,设d=20km

许咨宗USTC


K

K'

2, 飞行的尺度变短

一根平行于x’轴的刚性尺子固定在K’系上,在K 和K’系的观测者

各自对尺子的长度作测量,即分别定出 和 的时空坐标。必

注意的是K系的观测者一定要设法在同一个时刻(t1=t2=t)去量

尺子两端的空间坐标x1和x2,因为尺子和K‘一起相对于K沿x轴

运动。

βc

a2

a1

t2,’x2’ K‘

t2,x2 K

t1,’x1’

t1,x1

许咨宗USTC


*能量为E的粒子不变粒子密度

在粒子的相互作用过程中,在计算过程的反应率和衰变宽度时都将计及具有能量为Ei的粒子在一个与粒子紧固在一起的归一化盒子(其体积V)中的粒子的密度。在粒子静止的参考系中,粒子密度为1/V。在实验室系中,粒子是以Ei(γi=Ei/mi)运动的,因此紧固在粒子上的盒子在粒子运动方向发生Lorentz收缩。体积由V变为V(mi/Ei)粒子的密度相应增加了Ei/mi。为了满足粒子密度的相对论不变性。在反应率的表达式中引入相应的因子(mi/Ei)

或者1/2Ei

3.8

许咨宗USTC


( Ei ,pi )mi

a

A

b

(E'i p'i) mi

a

A

b

反应后

3,反应阈能

(E, p ),m

M

K

E’1p‘,E’2p’

K'

反应前

许咨宗USTC


3.9

  • 反应阈能,动量中心的运动是不能用来产生和激发新的自由度的.运动的粒子打静止靶,投射粒子有一部分能量用来保持动量中心运动,用来产生和激发新自由度的只是初态系统的不变质量(用 表示)

反应阈能定义为实现某一反应投射粒子所需的最小能Eth(Pth ). 显然,当产生的末态粒子在系统的动量中心系都是静止时(即末态所有粒子在动量中心系的总动能为零)投射粒子的能量最小,

许咨宗USTC


举例

光生电子对

由式3.9)

由式3.9)

许咨宗USTC


质子打静止质子靶生成反质子的阈能

由式3.9)

为了产生质子反质子对(2mp),投弹质子的动能要高达6倍于

质子的静止质量,2/3用于保持动量中心运动.

许咨宗USTC


Eb,pb

Eb,pb

Eb,-pb

把实验建立在动量中心系中,将靶粒子也加速起来,而且靶粒子种类和投射粒子一样.加速能量也完全一样,两束同种类同能量的粒子束对撞

两种不同的实验方案,其能量的有效利用率有巨大的不同

许咨宗USTC


p’

p

βc

θ’

θ

p’x

px

3.10a

3.10b

4,动量椭球-动量中心系粒子在实验室系前冲

  • 设一粒子在K’-系以动量p’在动量中心系各向同向发射

K’

K

椭圆中心:βcγcE’

许咨宗USTC


3.11

P'=β'E'

A)

特点:

*集中在前向区半锥角 范围内。根据下式

*在 角度内有不同动量的两群粒子 和 分别与 对应,

在ө=0

许咨宗USTC


*该类粒子向实验室的前半球发射

  • *在CMS向后的粒子,在实验室不动的

  • *θ,θ‘一一对应。

特点:

B)

动量中心系前半球发射的粒子都集中在实验室系中限制的前半球

许咨宗USTC


在实验室后向也有部分粒子飞出,末态光子和中微子可以在靶子的背后出现。

通常,反应末态产生不同质量的粒子,动量中心系中粒子的速度是不一样的,上述三种情况都存在。

许咨宗USTC


p'

βc

p

K

K'

θ'

θ

pμ=(E , pL pT)

p'μ=(E' , pL' pT')

5,粒子在动量中心运动方向的快度和赝快度

Ω2

(3.12)

许咨宗USTC


快度的定义

许咨宗USTC


可以证明:

定义:

许咨宗USTC


许咨宗USTC



许咨宗USTC


6横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的,微分界面的变换关系

  • 微分界面的定义

通量为1cm-2s-1a-粒子沿z向投向靶粒子,靶粒子垂直于z向对a-粒子呈现一个面元dσ,当a-粒子击中面元dσ,特定的过程产生的特定粒子落在θ角的的dΩ立体角元内。 dσ/dΩ定义为该过程的微分截面

dσ表示单位面积内的一个小微元,如dσ=10-24cm2,称1barn(巴)

含义是投中微元的概率为10-24

dσ是一个包含相互作用动力学信息

的一个非常重要的物理量

许咨宗USTC


实验用通量为横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的Φcm-2s-1、束流截面为b-cm2的a-粒子束垂直投射到厚度

为Δ的靶,观测在与投射束方向成θ方向的dΩ元内标记该特定过程的

粒子的速率dN s-1

如何通过上述测量量和前面的

微分截面联系起来?

投射粒子速率: Φb (s-1)

被投射束覆盖的靶粒子数:

NT=bΔρNAA-1

每个靶粒子独立地呈现dσ对所有的

投射粒子!

在束流覆盖的面积b中靶粒子有效面元为NT dσ。下面的联系是显然的

许咨宗USTC


cm横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的-2s-1

亮度:

>1036cm-2s-1

(3.17)

1027~1035cm-2s-1

许咨宗USTC


微分截面的变换,横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

以及

许咨宗USTC


许咨宗USTC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的


结果是:横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

(3.18)

出发

(3.19)

许咨宗USTC


  • 角分布横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

(3.20)

许咨宗USTC


K K’横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

E0,p0

举例1,π0介子衰变(π0 →γγ)

βc=p0/E0

对于光子:

许咨宗USTC


(3.21)横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

许咨宗USTC


P横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的0=5GeV,γc=37.050535,βcγc=37.037037

E0=(P2+m2)1/2=5001.8222MeV

许咨宗USTC


I(cos横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的θ)

1

P0=0.0GeV-1

=0.5GeV-2

=5.0GeV-3

=10GeV-4

4

4

2

3

3

2

cosθ

许咨宗USTC


横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的50%光子(1)集中在Lab.π0入射方向的半锥角:

P0=0.0GeV-θ0.5=900

=0.5GeV- θ0.5=15.10

=5.0GeV-θ0.5=1.550

=10GeV- θ0.5=0.770

许咨宗USTC


θ横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的max

  • 举例2,动量为10GeV的π介子衰变π→μν

许咨宗USTC


θ横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的max

π

θmax~4mrad

P=10GeV

5.10-5背向

角分布

除少量中微子背着π飞行方向的后半球发射外全部μ子和大部分ν都沿着π飞行方向的小角度区内。

μ

5.73GeV~10GeV

ν

-.209.10-3~4.267GeV

许咨宗USTC


末态粒子能谱横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

能谱in CMS

能谱in Lab.

许咨宗USTC


许咨宗USTC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的


dN(E’)/dE’横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

E’νμMeV

28.87

110.12

N0/2(βγ)c

dN(E)/dE

5

10

EνμGeV

10.00

5.734

.00022

4.27

能谱:

许咨宗USTC


3.3横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的粒子磁谱仪

  • 3.3.1粒子与物质相互作用和粒子的探测(删去不讲69-94;2008)

  • 3.3.2粒子的分辨

  • 3.3.3粒子磁谱仪

许咨宗USTC


3 3 1

Δ横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

I0,E0-Δ

I0,E0

Ze, A

ze

3.3.1粒子与物质相互作用和粒子的探测

A,粒子与物质相互作用

*带电重粒子与物质原子的电离激发-Bethe-Block-公式

MeV/g.cm2

许咨宗USTC


MIP-横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的最小电离粒子

(dE/dx)min=1.1~2MeVg-1cm2

电离的相对论上升

Bragg Peak

许咨宗USTC


Bragg peak横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

许咨宗USTC


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的光子与物质的相互作用

e-

e-

e-

e+

许咨宗USTC


碳原子与光子作用横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

截面随光子能量表现出的吸收边的跳变

铅原子与光子作用

许咨宗USTC


I横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的0,E0

I,E0

t

许咨宗USTC


1MeV 横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的的光子的质量衰减

长度约为20gcm-2几乎与物

无关。由于物质密度不同

因而其线衰减长度又很大

差别。见右表

许咨宗USTC


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的高能电子和高能光子的电磁簇射

铁的辐射长度X0=1.76cm

20个辐射长度(厘米):178(Al);

28.6(Cu);11.2(Pb);

51.8( NaI(tl));22.4(BGO);

17.8(PbWO4)

许咨宗USTC


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的高能强子的簇射

许咨宗USTC


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的快速带电粒子在介质中的 Cherenkov 辐射

n(λ) 为介质的折射系数

在粒子穿过介质的轨迹AB上的各个点发射的

Ch-光子以速度c/n在时间Δτ相干地以波前

BC与AB成θ角传播

电荷为z的快速粒子在路程dx、

波长间隔d λ内辐射波长为λ

的Ch-光子数

许咨宗USTC


~20eV for Styrene横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

ze

θ1/2~1/γ

γωP=10 ω0

~(0.59%)z2

~(lnγ)2

*极端相对论带电粒子在介质界面的穿越辐射

γ

50%的TR光子集中在:

每个界面产生能量高于ω0

的光子数:

设γ=1000,50%的TR集中在2~20keV(Styrene),集中在粒子运动的前向1mrd

许咨宗USTC


B 横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的粒子的探测

1,基于收集次级电离的探测器

许咨宗USTC


MWPC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

许咨宗USTC


Time projection chamber
Time Projection Chamber横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

GAS VOLUME

88 m3

DRIFT GAS

90% Ne - 10%CO2

  • Main tracking detector of ALICE central barrel

  • Inner radius: Track separation

  • Rin = 0.8 m

  • Outer radius: Rout= 2.5 m

  • dE/dx & p resolution#

  • Large acceptance Dh <0.9

  • 200Hz rate capability

  • MWPC read-out 32 m2, 40% Oc

  • 5 105 pads x 500 time bins

  • 60 Mbyte/evt => DC, RoI, L3..

Readout plane segmentation

18 trapezoidal sectors

each covering 20 degrees in azimuth

许咨宗USTC


Read out chambers
Read-out Chambers横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

TPC

Pad plane :

5504 pads

(4x7.5 mm2)

许咨宗USTC


Field configuration横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

Readout sections of TPC

许咨宗USTC


Micro-Strip Chamber横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

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*MRPC –Multi.-Resistive Plane Chamber横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

许咨宗USTC


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的硅微条探测器-Silicon Micro-Strips

每产生一对电子空穴对约3.6eV

MIP在W~.3mmSi层中~4fc

许咨宗USTC


许咨宗USTC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的


2,横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的基于光收集的探测器-闪烁探测器。收集由次级电离在闪烁体激发辐射的

闪烁荧光

荧光产额:4*104~102/MeV

增益:105~107

许咨宗USTC


许咨宗USTC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的


桶部:横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的PWO 67.4吨,端盖:PWO,25.2吨

CMS-电磁量能器

许咨宗USTC


*Cherenkov 横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的探测器

许咨宗USTC


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的穿越辐射(TR)探测器

Eγ:(0.1~1)hνP

Nγ~M(ln γ)2

X-rays

许咨宗USTC


各种探测器重要特性的比较横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

许咨宗USTC


3 3 2
3.3.2 横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的粒子的分辨

  • 动量测量是粒子分辨的一个最基本的测量量

P=0.3zBρ, P(GeV), B(T), ρ(m)

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dE/dx横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

P(GeV/c)

p/K

π/μ,e

K/π..

*结合动量测量-dE/dx(~z2/β2)测量

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*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的结合动量测量-TOF飞行时间测量

许咨宗USTC


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的结合动量测量-(TOF.and.dE/dx)(相对论上升)测量

许咨宗USTC


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的结合动量测量-Cherenkov 环像测量

许咨宗USTC


许咨宗USTC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的


*横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的结合动量测量-TR的X-射线测量

许咨宗USTC


3 3 3
3.3.3 横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的粒子磁谱仪

  • 单臂谱仪一例-反质子的发现

Pth=6.5GeV

=6.58GeV

Tth

=5.63GeV

许咨宗USTC


p横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的F

pin

1955年Berkeley的加速器质子的最高动量pmax=6.3GeV

Pth=6.5GeV

63Cu

pF~186MeV/c

Pth=5.2GeV/c

Tth=4.3GeV

背景过程:p + p→p + p + nπ pth(π+-)=1.22GeV

许咨宗USTC


M1(M2)横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的选择动量为

1.2GeV/c的带负电粒子

Q1(Q2)确保粒子沿设定的

轨迹运动

S1、S2、S3塑料闪烁望远镜

C1:βth=0.79

C2: 0.75<β<0.78

C3:量能器

βπ=0.9933

βp=0.7877

许咨宗USTC


S1横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的、S3之间的飞行时间测量:

  • 从大量的π--粒子中辨认反质子

许咨宗USTC


许咨宗USTC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的


  • 发现横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的J-粒子的双臂谱仪

28.5GeV/c 的质子打Be靶

βc=0.9670506 γC=3.92797

假设产生的未知粒子在动量中心系是静止的,它的衰变产生的正负电子在动量中心系中是各向同性的。在动量中心系向前半球发射的电子(正电子)在实验室系中集中在投射束的前进方向的半角:tgθ=1/βcγc=0.2633。即θ=14.70

谱仪的双臂以+-14.70分列在动量中心运动方向两侧

为消除靶区产生的背景,设置偏转和分析磁体,把选择的粒子

的运动轨道在由水平面分别向垂直偏一角度(8.50)

许咨宗USTC


动量接受区间:横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

6±1GeV

主要背景:π±

粒子分辨由:

C0βth=.99986

π±,>8.37GeV

e±>0.04GeV

C1 βth=.99988

π±,>9.35GeV

e±>0.04GeV

对π±的排斥度为108

+Ecal,Pb-Glass

许咨宗USTC


许咨宗USTC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的


  • 对撞机谱仪横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的

许咨宗USTC


北京谱仪-横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的BES

许咨宗USTC


许咨宗USTC横动量、横质量是描述相互作用动力学机制的物理量。它们与动量中心系的


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