detektoren die augen der teilchenphysiker - desy
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Detektoren − die Augen der Teilchenphysiker
Hermann KolanoskiHumboldt Universität zu Berlin and DESY Zeuthen
Gegenstand
Quelle
Detektor
Elektron Proton
H1-Detektor zum Nachweis verschiedener Teilchensorten
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 131.5.2005
Zwei „Optische Module“
„Digital Optical Module“ von IceCube
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 231.5.2005
Seh-Apparat verglichen mit einem Detektor
Wechselwirkungmit Sensor
Netzhaut
Detektor
Strahlung
Licht
Teilchenstrahlen
Fokussierung
Linse
Magnete
Signaltransfer
Nerven
Kabel
Datenverarbeitung
Gehirn
Computer
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 331.5.2005
Einsatz von Teilchen- oder Strahlungsdetektoren
Nachweis von Strahlungin Medizin, Geologie, Archeologie, …
Experimente an Beschleunigern:
Experimente mit kosmischer Strahlung:
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 431.5.2005
(Teilchen-) Strahlung
Strahlung = Teilchen: Detektoren sehen meistens einzelne Teilchen
Beispiele: Geladene Teilchen:
Wasserstoffatom• Proton, Ladung +• Elektron, Ladung –
• Myonen µ+ und µ- Kosmische Strahlung
Photonen = „Licht“quant γ
• …• …• Neutrinos
Neutrale Teilchen: • Radiowellen Energie
• Licht• Röntgen-Strahlung• γ-Strahlung
„Geisterteilchen“
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 531.5.2005
Aufbau der Welt aus Teilchenoder das Nichts, das durch Kräfte zusammenhält
Detektoren bestehen aus Atomen, Molekülen, Kristallen.
Die Wechselwirkung der Teilchen mit der Detektormaterie ist
notwendige Voraussetzung für deren Nachweis
Die kleinsten Teilchen haben keine oder eine sehr kleine Ausdehnung!
Wie kann man sie trotzdem sichtbar machen??
Alle bekannten Teilchen üben Kräfte auf ihre Umgebung aus
(die das nicht tun sind uns deshalb nicht bekannt)
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 631.5.2005
Voraussetzung für den Nachweis: Wechselwirkung der Teilchen mit Materie
• Schwerkraft: gut für den Nachweis von Kometen, für Teilchen nicht sehr hilfreich
• Elektromagnetisch: Ionisation, Cherenkov-, Übergangsstrahlung, elektromagn. Schauer (e±, γ)
• Stark: hadronische Schauer, Kern-WW (Neutron-Nachweis)
• Schwach: Neutrino-Nachweis (inverser β-Zerfall)
← am häufigsten für Detektoren genutzt
← Wichtig für Zeuthen: AMANDA/IceCube
Verschiedene Arten der Wechselwirkung: so: oder so:
oder …
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 731.5.2005
Ionisation: Erzeugung elektrischer Ladungen in Material
Atome in Materie
e-
neutrales Atom Elektron (-) und Ion (+)
-+
-+
-+
-+
-+
-+-
+-+
Beispiel: ein Teilchen erzeugt etwa 100 Ionen pro 1 cm in Argon ← Driftkammernund etwa 25000 Ionen pro 300 µm in Silizium ← Si-Detektoren
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 831.5.2005
Ionisationsspuren sichtbar machen: Photoemulsion
Langsame schwere Teilchen machen mehr Ionisation als schnelle leichte Teilchen
Schwärzung einer Photoemulsion
Ortsgenauigkeit ~1 µm(der ungeschlagene Rekord)
Mikroskopische Vermessung der Spuren
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 931.5.2005
Ionisationsspuren sichtbar machen: Nebelkammer
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1031.5.2005
Elektronenschauer in einer Nebelkammer
Ionen als Kondensations- oder Verdampfungskeime: Nebel- und Blasenkammer:
Schauerdetektoren oder Kalorimeter
zur Energiemessung
destruktiv!!
Langsame schwere Teilchen machen mehr Ionisation als schnelle leichte Teilchen
Zeuthener Nebelkammer
dampfgesättigt
Ionisationsspuren sichtbar machen:Blasenkammer
Big European Bubble Chamber
D.A.Glaser, Nobelpreis 1960
Spuren durch Magnetfeld gekrümmt
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1131.5.2005
Intermezzo: Impulsmessung
Impuls = Masse × Geschwindigkeit
]T[3.0]GeV[]m[
BpR T
⋅=
Häufig auch Detektoren im Magnetfeld
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1231.5.2005
Ionisationsspuren sichtbar machen:Funkenkammer
Gilt auch für Emulsionen, Nebel- und Blasenkammern
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1331.5.2005
Zwischen 2 Platten mit Hochspannung entwickelt sich ein Blitz entlang dem Ionisationsweg
Probleme für moderne Detektoren:• zu langsam• braucht Trigger (= schneller Auslöser,
der Hochspannung auf die Platten legt)• Funke macht elektromagnetischen „Dreck“• schwierig elektronisch auszulesen
Elektronischer Nachweis von Ionisation:Ionisationskammer
Ladungssammlung ohne Verstärkung
Unmöglich, so eine einzelne Ionisation nachzuweisen: • Elektronladung (= - Ionladung) = 10-19 Coulomb (für 1 Nanoampere 10000 Ion./Sek.) • unserer Elektroniker brauchen mindestens 10-15 Coulomb (Femto-Coulomb)
⇒ wenn wir einzelne Ionisationen sehen wollen, brauchen wir eine min. 10000-fache Verstärkung, die das Rauschen nicht mitverstärkt
I ~ Strahlendosis im Ionisationsvolumen pro Zeit
Ionisation in einem Gasvolumen-+
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Das Prinzip der „Gasverstärkung“ Geiger-Müller-ZählrohrGeiger, Hans, (1882-1945)
Elektronische Auslese!
~ 100000 V/cm
~ Ladungs-lawine
am Draht
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1531.5.2005
Ortsbestimmung: Vieldrahtproportionalkammer (MWPC)G.Charpak, Nobelpreis 1992
Elektronische Auslese! Grosse Kanalzahlen möglich durch integrierte Schaltungen
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1631.5.2005
Noch bessere Ortsbestimmung: Driftkammern
driftdrift twtr ⋅=)(
Ort = Driftgeschwindigkeit × Driftzeit
Etwa 100-200 µm genau
(Walenta and Heintze 1971)
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1731.5.2005
DC Zelltypen
Beispiel: HERA-B Outer Tracker
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1831.5.2005
Driftkammern (TASSO, HERA-B)
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 1931.5.2005
HERA-B Outer Tracker: Honigwaben-Struktur
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2031.5.2005
HalbleiterdetektorStatt Gasverstärkung mehr Ionen von Teilchen in dichterem Medium erzeugt
-+
Prototyp des Halbleiter Detektors: Diodez.B. Silizium, Germanium, GaAs, …
25000 Ionen pro 300 µm in Silizium
Silizium-Streifendetektor:
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2131.5.2005
Vorwärts- und Rückwärts- Si-Detektoren bei H1
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2231.5.2005
Typischer Detektor an einem Speicherring
Detektoraufgaben• Nachweis, evt. auch Strahlungsfluss• Kinematik der Teilchen messen
(Energie, Richtung, …)• Teilchen identifizieren (z.B. Masse bestimmen)
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2331.5.2005
CMS-Detektor am LHC
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2431.5.2005
HERA-B-Detektor (fixed target)
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2531.5.2005
Cherenkov-Strahlung
Teilchen kann in einem Medium mit Brechungsindex n schneller sein als Licht:
• Wasser: n = 1,33• Eis: n = 1,3• Diamant: n = 2,4• Gase: n ≈ 1 + 0,001..
ncc vakuummedium /=
.\..\..\ALBERT\mach.exe
⇒ Effekt wie bei Schall: „Schallmauer“ (Machscher Kegel)
Cherenkov-Kegel
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2631.5.2005
Cherenkov-Detektoren
Nachweis von Licht: Photovervielfacher-Röhren
HERA-B RICH(= ring imaging Cherenkov detector)
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2731.5.2005
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2831.5.2005
Kamera in Aktion
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 2931.5.2005
νµ + N → µ + X ⇒ Cherenkov-Strahlung im Eis
AMANDA / IceCube
Sehen und Hören: Nutze alle Sinne Teilchen hören ?!!
Akustische Sensoren für den IceCube Detektor
Thermoakustisches Modell:Ultrahochenergetische Kaskade
Lokale ErwärmungExpansion
Schallwelle
AkkustischeSensoren
180 MeV Protonen TSL, Uppsala
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 3031.5.2005
Das war‘s
H.Kolanoski, Detektoren - Techn.Seminar Zeuthen 3131.5.2005