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