wszechswiat cz ˛´ astek elementarnych detekcja cz...
TRANSCRIPT
Wszech swiat cz astek elementarnychDetekcja cz astek
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 23 lutego 2011 – p.1/43
Detekcja cz astek• Wprowadzenie
Istota obserwacji w swiecie czastek• Podstawowe procesy fizyczna
- jonizacja- efekt fotoelektryczny- scyntylacja- promieniowanie Czerenkowa
• Metody detekcji czastek- detektory sladowe- kalorymetry
• Współczesne eksperymenty• Falowa natura czastek
A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.2/43
Detekcja cz astek
Istota obserwacji
W swiecie makroskopowym mozliwajest obserwacja nie zakłócajaca ob-serwowanego procesu
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.3/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.4/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.5/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.6/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.7/43
OperaEksperyment OperaEmulsja fotograficzna wciaz w uzyciu...
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.8/43
Detekcja cz astekEmulsja fotograficzna eksperyment OPERA
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.9/43
Detekcja cz astek
Komora Wilsona
Charles Wilson, 1911
jonizacja⇒ jony
⇒ kondensacja pary⇒ slad w postaci mgły
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.10/43
Detekcja cz astek
Komora Wilsona
Charles Wilson, 1911
Carl Anderson, 1932
odkrycie pozytonu
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.11/43
Detekcja cz astek
Komora pecherzykowa, 1952
jonizacja ⇒ wrzenie przegrzanej cieczy⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.12/43
Detekcja cz astek
Komora pecherzykowa
Ciecz pełni tez role “tarczy”, z która oddziaływuja czastki wiazki
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.13/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.14/43
Detekcja cz astek
Komora iskrowaJonizacja powoduje przeskokiskry pomiedzy elektrodami
Mozliwosc wyboru zdarzen(sterowanie napieciem)
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.15/43
Detekcja cz astek
Komora wielodrutowaGeorges Charpak 1970(Nobel 1992)
Tanie!Odczyt w pełni elektroniczny!elektronika+komputer⇒ rewolucja
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.16/43
Detekcja cz astek
TPCKomoraprojekcjiczasowej
Przypadekzderzeniaciezkichjonów
detektorSTARprzy RHIC
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.17/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.18/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.19/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.20/43
Detekcja cz astek
FotopowielaczAby móc zmierzyc pojedynczy foton musimy wzmocnic pojawiajacysie ładunek.
Jeden foton powoduje przepływ makroskopowego pradu.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.21/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.22/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.23/43
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.24/43
Współczesne eksperymenty
Super-Kamiokande
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.25/43
Super-Kamiokande
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.26/43
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.27/43
Współczesne eksperymenty
Obserwatorium Pierre AugerObserwacja wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego.
Scyntylacja w powietrzu.Promieniowanie Czerenkowa wdetektorach na powierzchni.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.28/43
Współczesne eksperymenty
Obserwatorium Pierre Auger
Detektor powierzchniowy Mapa obserwatorium:
4 stacje po 6 teleskopów obserwujacych swiecenie w atmosferze (UV)1600 detektorów powierzchniowych rozstawionych na 3000 km2 !!!
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.29/43
Współczesne eksperymenty
Obserwatorium Pierre Auger
Schemat obserwacji"peku atmosferycznego":4 "zdjecia" z teleskopów+ "slad" na powierzchni
Na podstawie pomiaru“peku” czastek wtórnychwnioskujemy o energiiczastki pierwotnej
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.30/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.31/43
Detekcja cz astek
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.32/43
Detekcja cz astek
Kalorymetry
Symulacja rozwojukaskady hadronowej(pomiar energii protonu)
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.33/43
Detektor przy LHC
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.34/43
Detektor przy LHC
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.34/43
Czastki i fale
Efekt fotoelektryczny
Odkryty przez Hertza w 1887W 1902 Philipp Lenard pokazał,ze efekt fotoelektryczny obserwu-jemy tylko dla wybranych długosci faliswiatła:
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.35/43
Czastki i fale
Efekt fotoelektryczny
Odkryty przez Hertza w 1887W 1902 Philipp Lenard pokazał,ze efekt fotoelektryczny obserwu-jemy tylko dla wybranych długosci faliswiatła:
Efektu tego nie mozna byłowytłumaczyc w oparciu ofalowa teorie swiatła
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.35/43
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.36/43
Czastki i fale
Fotony maja okreslona energie i ped - jak inne czastki.
Jednoczesnie jednak fotony zachowuja sie jak fale.Swiadcza o tym m.in. zjawisko dyfrakcji i interferencji swiatła.
Ugiecie fal na pojedynczej szczelinie:
Fale na wodzie Swiatło
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.37/43
Czastki i fale
Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:
Swiatło
Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43
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 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43
Czastki i fale
Dyfrakcja na strukturach heksagonalnych
Swiatło Elektrony
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.39/43
Czastki i fale
Obraz przy przechodzeniu przez cienka folie aluminiowa
Promieniowanie X Elektrony
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.40/43
Czastki i fale
Mechanika Newtona
Klasyczne równania ruchu pozwalaja na scisłe wyznaczeniezaleznosci połozenia ciała od czasu: ~r(t).
Jesli 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 23 lutego 2011 ⇒ – p.41/43
Czastki i fale
Mechanika Newtona
Klasyczne równania ruchu pozwalaja na scisłe wyznaczeniezaleznosci połozenia ciała od czasu: ~r(t).
Jesli 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 23 lutego 2011 ⇒ – p.41/43
ZdarzeniaPodej scie statystyczne
Nasze urzadzenia pomiarowe sa makroskopowe - musimy zobserwacji makroskopowych wydobywac informacje co sie dzieje napoziomie czastek.
W doswiadczeniach z czastkami el. mamy do czynienia zezdarzeniami (przypadkami) - nie mozemy przewidziec ani kontrolowacprecyzyjnie pojedynczych zderzen czastek, wszystko ma charakterprzypadkowy.
Musimy miec duza statystyke zdarzen (czasami miliony, a nawet setkimilionów przypadków), aby móc badac i opisywac zachowanieczastek.
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.42/43
ZdarzeniaPodej scie statystyczne
Takze rozpady czastek elementarnych (nawet tych fundamentalnych)sa nieprzewidywalne (kiedy i jak zajda).
Np. neutron zyje srednio około 10 min - rozpada sie na proton,elektron i neutrino elektronowe (w jadrze at. jest stabilny)
W opisie kwantowym - precyzyjny opis srednich wielkosci, ale nic niemozna powiedziec o szansie indywidualnego zdarzenia
Znikanie czastek ale tez ich powstawanie - to obserwuje sie wdoswiadczeniach przy akceleratorach. Musimy zebrac duzoprzypadków, aby dobrze mierzyc rozkłady róznych wielkosci⇒ wnioskowac o teorii
⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 – p.43/43