Wszechswiat czastek elementarnychDetekcja czastek
Wykład OgólnouniwersyteckiWydział Fizyki U.W.
prof. A.F.Zarnecki
Zakład Czastek i Oddziaływan Fundamentalnych, Instytut Fizyki Doswiadczalnej
A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 – p.1/41
Detekcja czastek
• WprowadzenieCzastki i faleIstota obserwacji w swiecie czastek
• Podstawowe procesy fizyczna- jonizacja- efekt fotoelektryczny- scyntylacja- promieniowanie Czerenkowa
• Metody detekcji czastek- detektory sladowe- kalorymetry
• Współczesne eksperymenty
A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.2/41
Czastki fundamentalne
Przypomnienie
• czastki materiikwarki i leptony
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.3/41
Czastki fundamentalne
Przypomnienie
• czastki materiikwarki i leptony
• nosniki oddziaływanγ, g, W± i Z◦
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.3/41
Czastki fundamentalne
Przypomnienie
• czastki materiikwarki i leptony
• nosniki oddziaływanγ, g, W± i Z◦
• bozon Higgsakonieczny dlaspójnosci modelu
Bedziemy to jeszczeszczegółowo omawiac...
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.3/41
Czastki i fale
100 lat temu, w roku 1905, Albert Einstein wysunał hipoteze, zeswiatło jest strumieniem niepodzielnych kwantów energii, które dzisnazywamy fotonami.
Efekt fotoelektrycznyHipoteza ta wyjasniła zaleznoscefektu fotoelektrycznego od dłu-gosci fali swiatła
hν < E0 hν > E0
Rozpraszanie ComptonaW roku 1923 Compton pokazał, zefotony niosa nie tylko energie, alei ped ⇒ zachowuja sie jak czastki
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.4/41
Czastki i fale
Jednoczesnie jednak fotony zachowuja sie jak fale.
Swiadcza o tym m.in. zjawiskodyfrakcji i interferencji swiatła.
Ugiecie fal na pojedynczej szczelinie:
Fale na wodzie Swiatło
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.5/41
Czastki i fale
Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:
Swiatło
Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.6/41
Czastki i fale
Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:
Swiatło
Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne
W roku 1923 Louis de Broglie wysunał hipoteze, ze wszystkie czastkipowinny przejawiac własnosci falowe !
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.6/41
Czastki i fale
Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:
Swiatło
Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne
Elektrony
100 elektronówrozkład przypadkowy ?
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.6/41
Czastki i fale
Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:
Swiatło
Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne
Elektrony
3000 elektronów
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.6/41
Czastki i fale
Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:
Swiatło
Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne
Elektrony
70000 elektronów
Elektrony tez zachowuja sie jak fale !Potwierdzenie hipotezy de Broglie’a.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.6/41
Czastki i fale
Dyfrakcja na strukturach heksagonalnych
Swiatło Elektrony
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.7/41
Czastki i fale
Obraz przy przechodzeniu przez cienka folie aluminiowa
Promieniowanie X Elektrony
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.8/41
Czastki i fale
Mechanika klasycznaJesli znamy dokładnie poczatkowe połozenia i predkosci wszystkichelementów układu (np. planet w Układzie Słonecznym) potrafimyprzewidziec w jakim stanie bedzie sie znajdował w przyszłosci.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.9/41
Czastki i fale
Mechanika klasycznaJesli znamy dokładnie poczatkowe połozenia i predkosci wszystkichelementów układu (np. planet w Układzie Słonecznym) potrafimyprzewidziec w jakim stanie bedzie sie znajdował w przyszłosci.
Tego typu podejscie zawodzi jednak w swiecie subatomowym!
Falowa natura czastek zmusza nas do rezygnacji z podejsciadeterministycznego...
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.9/41
Czastki i fale
Mechanika klasycznaJesli znamy dokładnie poczatkowe połozenia i predkosci wszystkichelementów układu (np. planet w Układzie Słonecznym) potrafimyprzewidziec w jakim stanie bedzie sie znajdował w przyszłosci.
Mechanika kwantowaRuch czastki to rozchodzenie sie “fali prawdopodobienstwa”,które potrafimy opisac odpowiednimi równaniami.
Amplituda tej fali opisuje prawdopodobienstwo znalezienia czastki wdanym miejscu i danej chwili czasu.
Dopiero dedykowany pomiar moze rozstrzygnac gdzie znajduje sieczastka. Wczesniej mozemy tylko "zgadywac"...
Nie mozemy dowolnie dokładnie poznac stanu czastki, np.jednoczesnie zmierzyc połozenie i ped - zasada nieoznaczonosci.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.9/41
Detekcja czastek
Istota obserwacji
W swiecie makroskopowym mozliwajest obserwacja nie zakłócajaca ob-serwowanego procesu
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.10/41
Detekcja czastek
Istota obserwacji
Czastek nie mozemy "zobaczyc" nie zakłócajac ich stanu.
W swiecie czastek kazdy pomiar wiaze sie z jakims oddziaływaniem.
Obserwujemy nie czastki, ale (efekty) ich oddziaływania z materia.
Nie mozna zaobserwowac czastki, która nie oddziałuje!
Podstawowe procesy wykorzystywane do detekcji czastek:
• jonizacja i scyntylacja
• efekt fotoelektryczny
• promieniowanie Czerenkowa
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.11/41
Detekcja czastek
Struktura materiiWłasnosci róznych substancji zaleza od tego jak silnie zwiazane sanajbardziej “zewnetrzne” elektrony (walencyjne)
IzolatorWszystkie elektrony
silnie zwiazane z atomami
PrzewodnikElektrony walencyjne sa “uwspólnione”,
moga swobodnie sie przemieszczac
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.12/41
Detekcja czastek
JonizacjaU podstaw działania przewazajacej wiekszosci detektorów czastekelementarnych lezy zjawisko jonizacji:
Czastka naładowana przechodzac przez osrodek oddziałujeKulombowsko z elektronami i oddaje im czesc swojej energii“wybijajac” je z atomów. Pojawiaja sie swobodne nosniki ładnuku
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.13/41
Detekcja czastek
Emulsja fotograficzna
H. Becquerel, 1896
wzbudzone atomy⇒ reakcja chemiczna M.Danysz i J.Pniewski, 1953
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.14/41
OperaEksperyment OperaEmulsja fotograficzna wciaz w uzyciu...
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.15/41
Detekcja czastek
Emulsja fotograficzna eksperyment OPERA
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.16/41
Detekcja czastek
Komora Wilsona
Charles Wilson, 1911
jonizacja⇒ jony
⇒ kondensacja pary⇒ slad w postaci mgły
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.17/41
Detekcja czastek
Komora Wilsona
Charles Wilson, 1911
Carl Anderson, 1932
odkrycie pozytonu
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.18/41
Detekcja czastek
Komora pecherzykowa, 1952
jonizacja ⇒ wrzenie przegrzanej cieczy⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.19/41
Detekcja czastek
Komora pecherzykowa
Ciecz pełni tez role “tarczy”, z która oddziaływuja czastki wiazki
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.20/41
Detekcja czastek
Pomiar jonizacjiJonizacja osrodka oznacza powstanie w nim swobodnych ładunków:mozliwy jest przepływ pradu.
w gazie w półprzewodniku
Przepływajacy ładunek jest na ogół bardzo mały,ale czuła elektronika pozwala go wzmocnic i zmierzyc.Na tej zasadzie opiera sie wiekszosc współczesnych detektorów.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.21/41
Detekcja czastek
Licznik Geigera-MülleraPrzykładajac odpowiednio wysokie napiecie powodujemy, zepowstałe w wyniku jonizacji elektrony zderzajac sie z atomamiwybijaja kolejne elektrony - powielanie ładunku.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.22/41
Detekcja czastek
Komora iskrowaJonizacja powoduje przeskokiskry pomiedzy elektrodami
Mozliwosc wyboru zdarzen(sterowanie napieciem)
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.23/41
Detekcja czastek
Komora wielodrutowaGeorges Charpak 1970(Nobel 1992)
Tanie!Odczyt w pełni elektroniczny!elektronika+komputer⇒ rewolucja
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.24/41
Detekcja czastek
TPCKomoraprojekcjiczasowej
Przypadekzderzeniaciezkichjonów
detektorSTARprzy RHIC
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.25/41
Detekcja czastek
Detektory półprzewodnikoweBardzo rózne technologie, m.in. CCD (uzywane w fotografii cyfrowej)
Kazdy aparat cyfrowy jest detektorem czastek!
Zdjecie z kamery astronomicznej. Wycinek:
To nie UFO. To slad czastki...
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.26/41
Detekcja czastek
Detektory półprzewodnikoweCoraz powszechniej uzywane.
Element detektora krzemowego
Bardzo precyzyjny pomiarpozycji czastek (rzedu µm)
Mierzone punkty przejscia wiazki czastek
przez piec warstw detektora testowego:
Mierzac pozycje w wielu warstwach mozemy zrekonstruowac tor.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.27/41
Detekcja czastek
ScyntylacjaW wyniku przejscia czastki naład-owanej elektron moze byc “wyr-wany” z atomu, lub przeniesionyna wyzsza powłoke (wzbudzenieatomu).
Powrotowi atomu do stanu pod-stawowego moze towarzyszycwyswiecanie fotonów: scyntylacja
FotonyTakze fotony moga oddziaływac zelektronami w atomie.Przekazuja im cała swoja energie(efekt fotoelektryczny) lub tylkoczesc (rozpraszanie Comptona).
W obu przypadkach elektronmoze zostac “wyrwany” z atomu.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.28/41
Detekcja czastek
Scyntylacja
W szeregu materiałów atomywzbudzone na skutek jonizacjiemituja fotony swiatła
Błysk swiatła w scyntylatorzemozemy rejestrowac przy pomocyfotopowielacza
Brak pomiaru pozycjiBardzo dobry pomiar czasuprzejscia czastki
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.29/41
Detekcja czastek
FotopowielaczAby móc zmierzyc pojedynczy foton musimy wzmocnic pojawiajacysie ładunek. Na kolejnych elektrodach (tzw. dynodach) kazdy elektronwybija kilka elektronów wtórnych - powstaje lawina
Jeden foton, jesli tylko uda mu sie wybic pierwszy elektron (efektfotoelektryczny) powoduje przepływ makroskopowego pradu.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.30/41
Detekcja czastek
Detektory scyntylacyjne
Tradycyjne liczniki scyntyla-cyjne coraz rzadziej uzywane.
Nowe koncepcje:⇐ włókna scyntylujace,
⇓ fotopowielacze krzemowe.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.31/41
Detekcja czastek
Promieniowanie Czerenkowa
Emitowane przez czastke porusza-jaca sie w osrodku z predkosciawieksza niz predkosc swiatła w tymosrodku.
Swiatło emitowane napewnym odcinku widocznejest w postaci charakterysty-cznych pierscieni
Zachodzi w wodzie, lodzie, powietrzu...Tania technologia dla duzych detektorów!
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.32/41
Detekcja czastek
Promieniowanie CzerenkowaJesli droga czastki przez osrodek jest dluzsza, mozemy zastosowacspecjalne zwierciadła, zeby skupic emitowane swiatło
Schemat Obraz w detektorze
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.33/41
Detekcja czastek
Promieniowanie CzerenkowaJesli droga czastki przez osrodek jest dluzsza, mozemy zastosowacspecjalne zwierciadła, zeby skupic emitowane swiatło
Schemat Obraz w detektorze
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.33/41
Współczesne eksperymenty
Super-Kamiokandeeksperyment neutrinowy
Japonia, w starej kopalni, 1 kmpod góra Kamioka, komora owysokosci 40 m i srednicy 40 m,wypełniona woda
11’000 fotopowielaczy (50 cmsrednicy!) rejestruje prze-chodzace czastki
rejestrowane jestpromieniowanie Czerenkowa
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.34/41
Współczesne eksperymenty
Super-Kamiokande
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.35/41
Super-Kamiokande
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.36/41
Współczesne eksperymenty
Super-KamiokandePrzykłady obserwowanych oddziaływan neutrin.
Neutrino elektronowePrzypadek νe n → e−p
Krótki zasieg elektronu“cienki” pierscien
Neutrino mionowePrzypadek νµ n → µ−p
Długa droga mionu w wodzie“gruby” pierscien.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.37/41
Detekcja czastek
KalorymetryWszystkie przedstawione do tej pory detektory rejestrowały przejscieczastki, slad czastki w materii ⇒ detektory sladowe.
Aby zmierzyc energie czastki musimy sprawic, aby w wynikuwielokrotnych oddziaływan "oddała ja" w całosci detektorowi.Kalorymetr elektromagnetyczny
Wysokoenergetyczne elektronytraca energie prawie wyłaczniena promieniowanie hamowania
e−
γ
Wysokoenergetyczne fotony ule-gaja konwersji na pary e+ e−
γ
e
e
−
+
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.38/41
Detekcja czastek
KalorymetryWysokoenergetyczny elektron lub foton wpadajac do detektorawywołuje kaskade składajaca sie z N ∼ E czastek
Mierzac liczbe czastek lub całkowita długosc torów (całkowitajonizacje) mozemy dokładnie okreslic energie czastki poczatkowej
Kalorymetr jednorodny
np. blok scyntylatora
Kalorymetr próbkujacy
warstwy detektora na przemian zgestym absorberem
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.39/41
Detekcja czastek
Kalorymetry
Symulacja rozwojukaskady hadronowej(pomiar energii protonu)
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 ⇒ – p.40/41
Detektor przy LHC
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 – p.41/41
Detektor przy LHC
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 26 lutego 2014 – p.41/41