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Ralph Steinhagen , Seminar: Moderne Methoden/Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik 1

Grundlage von Teilchendetektoren

Ralph Steinhagen

im Rahmen des Seminars:

Moderne Methoden/Experimente der Teilchen und Astroteilchenphysik

SS 2002


Gliederung

A. Einleitung

B. I. GrundlagenAbsorption geladener und ungeladener Teilchen in Materie

II. Beispiele

Nebel- und Blasenkammer

Gasgefüllte Detektoren

Halbleiterdetektoren

Szintillatoren

Kalorimeter

III. Anwendung in der E-Teilchenphysik

allgemeine Beispiele

Anwendungsbeispiel: LHC

C. Resumé


Einleitung - Ziel

Vom Menschen nicht direkt beobachtbare Teilchenreaktionen sollenqualitativ und quantitativ meßbar gemacht werden.

In der Teilchenphysik ist in der Regel ein Teilchen als Produkt einer Wechselwirkung dann bestimmt, wenn folgende Meßgrößen nach der Reaktion gemessen wurden:

•Ort

•Impuls

•Energie

•Grob- bzw. Feinklassifizierung


Einleitung - Kenngrößen

Die behandelten Detektoren unterscheiden sich durch folgende Meßgrößen:

•Orts- bzw. Energieauflösung:Maß für die Präzision mit der ein Teilchenbahn bzw. Energie bestimmt werden kann

•Nachweiswahrscheinlichkeit bzw. Rauschen:Wahrscheinlichkeit „echte“ bzw. ein „falsche“ Teilchen zu detektieren

•Zeitverhalten:Totzeit: Zeit nach einer Messung in der Detektor „blind“ ist bis zur

nächsten Messung

Reaktionszeit: Zeit zwischen Eintreffen des Teilchens bis zum Meßsignal

Ein Detektor mit „eierlegende Wollmilchsau“-Qualitäten ist nicht realisierbar, deshalb werden in der Regel verschieden Detektortypen kombiniert.


Grundlagen - Magnetfelder

Bewegte geladene Teilchen werden in einem B-Feld abgelenkt!Semiklassisch:

=>

->Impuls

->Art der Ladung (Teilchen wird links- oder rechtshändig abgelenkt)


•wichtigster Parameter: ρ->Angabe des Energieverlust modulo Dichte

•weitere Materialparameter: Z, A ,•mittlere Ionisierungsenergie: I

•max. Energieaustausch (elastischer Stoß):

Grundlagen

a) Energieverlust geladener Teilchen in Materie:Bethe-Bloch:

(Formel nur gilt für einfach geladene, hinreichen schwere Teilchen)

Qa


Grundlagen – Energieverlust in Materie

Bremsstrahlung:•dominant für hochenergetische Elektronen (zusätzlich zu Bethe-Bloch)

•wegen dem m2 Term nur für sehr leichte Teilchen relevant

•schwere Kerne (Eisen,Blei...) erzeugen stärker Bremsstrahlung (wegen ~Z)

•exponentieller Abfall der Gesamtenergie des Elektrons

wobei

->


Grundlagen – Energieverlust in Materie

b) Energieverlust ungeladener Teilchen in Materie:

Beersche Absorption: I(x) = I0 exp(-µx) mit µ = Σ µi

Photonen:

•Photoeffekt (µp): Hüllelektronen werden aus dem Absorbermaterials herausgeschlagen

•Comptoneffekt (µc): WW (Stöße) mit Hüllelektronen des Absorbermaterials

•Paarbildung (µpaar): WW mit den Kernen des Absorbermaterials und Erzeugung von e+-e- Paaren

Neutronen und andere neutr. Teilchen:hauptsächlich Kerneffekte, die geladene bzw. ungeladenen Photonen erzeugen

QII


Grundlagen - Schauer

elektromagnetische Schauer:

Parametrisierung durch Strahlungslänge:

Maximale Reichweite des Schauers:

Moliere-Radius (Breite) des Schauers (t95%):

Photonen der Bremsstrahlung können sehr hohe Energien (>>Ec) haben

-> Paarbildung

->Bremsstrahlung usw.

Ec (>> 2me) ist die kritische material-abhängige Energie, ab der Paarbildung im Absorbermaterial wahrscheinlicher wird als Bethe-Bloch

Qb


Grundlagen - Schauer

hadronische Schauer:

Parametrisierung der Strahlungslänge durch :( σi: elastischer Wirkungsquerschnitt der Kernreaktion)

Maximale Reichweite des Schauers:

„Moliere“-Radius (Breite) des Schauers (t95%):

Entstehung durch starker Wechselwirkung hadronischer(schwerer) Teilchen mit den Kernen des Absorbermaterials.

Produkte dieser Kernreaktionen sind wieder Hadronen

Qb


Grundlagen - Materialkonstanten

elm. und hadronische Strahlungslängen:

84,936,436,493 1___H2O193,76,40,566,911,35_82Pb131,913,91,7724 7,87_26Fe106,424,38,9472,7__13Al38,143,3281031,5__6C

93,17452200,1252He (flüssig)52,462,88873400,0711H2 (flüssig)

λ / (g/cm2)X0/ρ (g/cm2)X0 (cm)Ec (MeV)Dichte (g/cm3)

ZMaterial

Daten aus Qa & Qf



•Wilson 1912, Glaser 1952

•Ausnutzung metastabilerZustände von Gasen bzw. Flüssigkeiten bei adiabatischerDruckänderung

•Ionenspur bildet Kondensations-bzw. Siedekeime an denen Tröpfchen bzw. Blasen entstehen

•Verwendete Medien: Wasserdampf in Luft, Freon, H2 bei ~6bar

Blasenkammer Qb



•sehr hohe Ortsauflösung: 8 µm (mit holographischen Methoden), dreidimensional!

•direktes Bild ohne „große“ Berechnung

•Blasenkammer: Möglichkeit der WW mit Kammermaterial

•sehr kurze empfindliche Meßzeit (~min)

• 0,1 s bis Spur sich gebildet hat

Aufnahme aus einer Blasenkammer, QI


Gasgefüllte Detektoren

•Arbeitsbereiche unterscheiden sich im wesentlich durch die angelegte Kathoden- bzw. Anodenspannung

•hier: Argonfüllung, leicht unter Normaldruck

QII


Gasgefüllte Detektoren – Geiger-Müller Zähler

•Kathodenspannung sehr hoch!

•Sekundärionisation im Meßgaserzeugt eine dauerhafte, fast verlustfreie Plasmaleitung

•um weitere Teilchen zu detektieren und die Meßapparatur nicht zu beschädigen wird der Prozeß durchelektr. Schaltungen oder „Löschgase“ unterbrochen

•Wegen Durchschlag keine Energiemessung sondern nur noch Ereignisse bzw. Zerfallsraten meßbar

Qb


Gasgefüllte Detektoren - Proportionalzähler

•hohe Feldstärke durch z.B. verkleinern des Anodendurchmessers, da

•E = U/ ln(ra/ri) * 1/r

•Primärionisation werden proportional durch Sekundärionisationen (Ladungslawinen) verstärkt

Qb

Qb


Gasgefüllte Detektoren – Vieldraht Proportionalkammer

Charpak (>~1960)

Multi-Wire-Proportional-Chamber

•prinzipiell: viele parallele Proportionalkammern ohne Trennwand

•Realisierung erst durch Mirkocontroller möglich

•meist mehrlagig versetzt und zueinander verdreht um eine ortsauflösende Matrix zu erhalten und „blinde“ Stellen einer Lage zu kompensieren.

Ortsauflösung: bis zu 500 µm(Abhängig vom Drahtdurchmesser und –Abstand)

Feld und Sampling von Vieldraht-Proportionalkammern QIII & Qb


Gasgefüllte Detektoren – Driftkammer

•ähnliche Konstruktion wie die MWPC

•Die Zeitdifferenz zwischen Teilchendurchgang und Signalmessung ist bei konstanter Elektronendriftgeschwindigkeit ein Maß für den Abstand vom jeweiligen Anodendraht

•Potentialdrähte sorgen für ein homogenes elektrisches Feld und somit für nahezu konstante Driftgeschwindigkeiten

Driftkammer Qb

Anodendraht

Ortsauflösung: 50 - 200 µm

typische Driftzeiten: ~ms (f. Elektronen) ~s (Ionen)


Gasgefüllte Detektoren – Driftkammer

Vieldraht-Proportionalkammer Jade Qb

Nicht-Planar-Konstruktion: Jade


Gasgefüllte Detektoren – Zeit-Projektionskammer (TPC)

•Die vom zu detektierenden Teilchen erzeugte Primärionisation driftet mit bekannter Geschwindigkeit zum Anodendraht

•In der Nähe des Anodendraht entstehen Sekundärionen

•diese driften zu den orthogonal segmentierten Kathoden

•Zeitabstände der Meßsignaleermöglichen mit der Position des Anodendrahtes und der detektierenden Kathode eine Extrapolation des primär zu detektierenden Teilchens

Qa

Bem.: Es reicht aus Influenzladungen nachzuweisen!


Gasgefüllte Detektoren – Zeit-Projektionskammer (TPC)

•genaue Ortsauflösung und Energie-absorptionsmessung

•großes aktives Meßvolumen (hauptsächlich nur Gas)

•nur geringe Teilchenraten zulässig

Qa

Qa

Ortsauflösung: 200 µm (Ebene) bzw. ~1mm (z-Richtung)

Driftzeiten: ~ms (f. Elektronen) ~s (Ionen)


Halbleiterdetektoren

•in Sperrrichtung betriebener np-Übergang

•Die Energiebandlücke wird zurOrtsdetektierung

•nur etwa 2eV für Bildung von Elektron-Lochpaaren nötig

•hohe Ortsauflösung bei kleinem aktiven Volumen

•kostenintensive und aufwendige Konstruktion

•Ortsauflösung (im B-Feld):

10- 20 µm

QI


Szintilatoren

•Fluoreszierende Medien (kurzlebige Zustände im S.-Material

•Photonen werden in der Regel durchPhotomultiplier oder Halbleiterdioden detektiert

•(hier:) keine Ortsauflösung

•Reaktionszeiten liegen im ns Bereich

Szintillator mit aufg. Photomultiplier Qb


Kalorimeter

Sampling Technik:•Abwechselnde Detektorschichten und Absorberschichten

•Absorberschichten bestimmen die Stärke und Art der Absorption

•meist Fe oder Pb als Absorbermaterial

•homogen:•Medium ist gleichzeitig Szintillator und Absorbermaterial

•Dicke:

elm.-Kalorimeter: t = ~20

had.-Kalorimeter: t = 6 – 9

(Bem: i.d.R. 9λ > 10 X0)

Schematische Skizze, QI


Kalorimeter

Ringkalorimeter des NA49 Experiment am Forschungszentrum CERN

Betrachtung von Hadronen der Pb+Pb Reaktion bei 185 GeV/u Strahlenergie

Antwortzeiten: ~µs

Schematische Skizze, QI


Anwendung in Großdetektoren

•4πGeometrie

•senkrecht stehendes H-Feld (Orts-Impuls Messung)

•1.Spurdetektor: Siliziumdetektoren, (Spurkammern) hohe Ortsauflösung bei kleinem aktiven Volumen, relativ hoher Preis

•2.Spurdetektor: Spurkammern, Vieldrahtproportionalkammern geringere Orts-auflösung jedoch durch größere Volumen günstiger in der Fertigung

prinzipieller Aufbau eines Großdetektors, QI

Myonenspurkammern



•elektromag. Kalorimeter: Nachweis von Elektronen, Positronen und Quanten

•hadronische Kalorimeter: Nachweis von z.B. Protonen, Neutronen bzw.Pionen

•Myonenspurkammern: Ortsdetektoren im Magnetfeld

früher: Szintillatoren, zum Nachweis der schwer absorbierbaren Myonen


Myonenspurkammern



qualitatives Beispielereignis:

grün, schwarz: Elektronen oder Positronen

braun: Entstehung zweier Quanten im Absorbermaterial des Kalorimeters

rot: Hadron, genauere Bestimmung durch quantitative Messung nötig

blau: Myon


Myonenspurkammern


Anwendung in Großdetektoren - LHC

QIV



QIV


Resumé

Überprüfung des Standardmodells:

Teilchen-WW = „Black-Box“!

Funktionsweise kann durch die Betrachtung der Ausgangssignale bei bekannten Eingangsparametern beschrieben werden.

•Eingangsparameter: Beschleuniger (Energie)

•Ausgangssignal: DetektorenEnergie: Kalorimeter

Impuls: Spurdetektoren im Magnetfeld

Art: (Kalorimeter)

⇒ Die erzeugten Teilchen sind bestimmt

Theorie gilt als bestätigt wenn die oben gemessenen Ausgangssignale mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmen!


Quellen und LiteraturLiteratur:

a. K. Kleinknecht: „Detektoren für Teilchenstrahlung“, Teubner 1992

b. Prof. T. Hebbeker: „Detektoren in der Elementarteilchenphysik“, HUB SS 1997

c. Prof. A. Böhm: „Durchgang geladener Teilchen durch Materie“, III.phys. Inst. SS 2002

d. Dr. F. Eckhard: „Entwicklung und Bau eines Flugzeitdetektors zur Untersuchung der Hadronenemissionin Pb+Pb-Reaktionen bei 158 GeV/u Strahlenergie“, http://eckhardt.home.cern.ch/eckhardt/phd/phd.html

e. Grundlagen der Teilchenphysik: http://www.physik.uni-erlangen.de/Didaktik/grundl_d_tph/

f. H. Frauenfelder, E. Henley: „Teilchen un Kerne“, R.Ouldenbourg Verlag 1999

Bildquellen:

I. http://www.physik.uni-erlangen.de/Didaktik/grundl_d_tph/exp_detek/exp_detek_00.html

II. http://insti.physics.sunysb.edu/~allen/252/PHY251_Geiger.html

III. Otter: „Atome-Moleküle-Kerne“ Bd. II, Teubner 1996

IV. http://cmsinfo.cern.ch/Welcome.html/

V. http://www.desy.de/f/jb99/desy99-090_096.pdf

VI. http://tesla.desy.de/

ralph steinhagen im rahmen des seminarshebbeker/lectures/sem02/steinhagen.pdf• 0,1 s bis spur sich...

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