1 / 43

Deeltjesdetectoren

Deeltjesdetectoren. Tinne Anthonis Tom Beckers Universitaire Instelling Antwerpen (UIA) Met dank aan Wim Peeters. Inhoud. Botsingen Detectoren Principe Subdetectoren Operatie van detectoren Praktische toepassingen. Botsingen (1).

luther
Download Presentation

Deeltjesdetectoren

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Deeltjesdetectoren Tinne Anthonis Tom Beckers Universitaire Instelling Antwerpen (UIA) Met dank aan Wim Peeters

  2. Inhoud • Botsingen • Detectoren • Principe • Subdetectoren • Operatie van detectoren • Praktische toepassingen

  3. Botsingen (1) • Proeven in de hoge energie fysica bestuderen de interacties tussen deeltjes • door verstrooiing van deeltjes op andere • Dit soort interacties heeft tot gevolg • een verandering van bewegingszin, energie en impuls van de originele deeltjes • de productie van nieuwe deeltjes

  4. Botsingen (2) • Deze interacties worden in botsingsexperimenten georganiseerd: • Electron kijkt als “probe” in het proton (cfr. Rutherford) • ...of annihilatie van materie en antimaterie creëert nieuwe deeltjes:

  5. Botsingen (3) • Resultaat van een botsing: verschillende deeltjes vliegen weg en vervallen in andere deeltjes

  6. Inhoud • Botsingen • Detectoren • Principe • Welke eigenschappen meten we? • Welke deeltjes? • Opbouw van de detector • Interacties van deeltjes in CMS detector • Subdetectoren • Operatie van detectoren • Praktische toepassingen

  7. Detector: welke eigenschappen meten? • Met een detector kunnen we de interactie reconstrueren. • De “Ideale detector” meet • de baan van alle geproduceerde deeltjes • de energie • de impuls (massa x snelheid) • hun identiteit

  8. Detector: welke deeltjes detecteren? • Geladen deeltjes • e-, e+, p (protonen), p, K (mesonen), m (muonen) • Neutrale deeltjes • g (fotonen), n (neutronen), K0 (mesonen), • n (neutrinos, erg moeilijk) • Verschillende soorten deeltjes interageren erg verschillend met materie (detectoren) Detector bestaat uit verschillende onderdelen ( = subdetectoren)

  9. Opbouw van een detector (1) • Energie meten / sporen bepalen ?

  10. Opbouw van een detector (2) • Fotonen en elektronen stoppen sneller in de calorimeter

  11. Opbouw van een detector (3) • Muonen stoppen helemaal niet in de calorimeter

  12. Opbouw van een detector (4) • Hoe impuls meten?

  13. Negatieve lading Magnetisch veld, uit het blad wijzend p2 Positieve lading R1 p1 Lorentz-kracht R2 q v B = m v2/R p1<p2 R1 < R2 met een “magneet+sporendetector” q B R = m v= p Hoe meten we de impuls? Geladen deeltje beweegt op cirkelbaan

  14. Opbouw van een detector (5) • Heel dicht bij het interactiepunt moeten de sporen extreem precies bepaald worden

  15. Opbouw van een detector (6) • De detector is compleet !

  16. Interacties van deeltjes in CMS detector Klik op het prentje voor een Flash animatie (opent in browser venster)

  17. Inhoud • Botsingen • Detectoren • Principe • Subdetectoren • Meetprincipes • Sporendetector • Calorimeter • Identificatiedetectoren • Operatie van detectoren • Praktische toepassingen

  18. e- p p p g e- p Meetprincipes • Meten gebeurt via een interactie van het deeltje met de detector (materiaal) • creëren van een meetbaar, elektrisch signaal • Ionisatie • Excitatie/Scintillatie

  19. Sporendetector • Basis doel: • het zichtbaar maken van de doorgang van een geladen deeltje door materie --> meten van de sporen ( track ) • Reconstructie van de baan uit die sporen (punten in de ruimte) • Hieruit de impuls berekenen (zie vroeger) • Opgelet: het deeltje mag niet teveel beïnvloed worden door het materiaal van de detector zelf: Geen materialen met grote dichtheid!

  20. Fouten op de afstanden Fouten op het het spoor, dus fout op de impuls Sporendetector : werkingsprincipe • Detector opgedeeld in kleine cellen, ionisatie leidt tot electrisch signaal in cel • Spoor wordt bepaald door cirkelbanen te trekken door geraakte cellen • Precisie begrensd door de grootte van de cellen

  21. Sporendetector: voorbeelden

  22. Sporendetector: gebeurtenis

  23. Calorimetrie • Basisprincipe: • Op zijn weg door een materiaal, botst een deeltje op de atomen. Hierdoor verliest het telkens energie en ioniseert/exciteert deze atomen. Hierdoor ontstaan secundaire deeltjes. • Indien het materiaal dik genoeg is, verliest het deeltje al zijn energie. Het aantal secundaire deeltjes is dan evenredig met de initiële energie.

  24. Deeltjeslawines • Interacties van deeltjes met materie: Lood atoom Materie vb. blok lood Secundaire deeltjes • De lawine wordt gedeeltelijk of volledig geabsorbeerd

  25. Sandwich-structuur ! Detectoren, zoals dradenkamers of of scintillators Blokken met hoge dichtheid, zoals lood Hoe kun je secundaire deeltjes meten? • 1. Met calorimeters die monsters nemen:

  26. signaal Foto diode fotonen Kristal (BGO, PbWO4,…) Hoe kun je secundaire deeltjes meten? • 2. Met homogene calorimeters, zoals kristalcalorimeters: Nota : deze kristallen worden ook elders gebruikt: Medische beeldvorming, PET)

  27. Hadron Calorimeter ijzer ALEPH  Bemonsterend, ijzer + scintillator.

  28. EM Calorimeter L3 Homogeen, kristallen.

  29. Calorimeter: gebeurtenis ALEPH ElCal pionen elektron

  30. Identificatie van de deeltjes • Basis principes: • via verschillende interacties met materie (zie detector) • door de massa van de vervalproducten te meten kunnen we de massa van het oorspronkelijke deeltje bepalen • door de snelheid te meten en onafhankelijk daarvan(!) de impuls : p=m.v => m=p/v Waarneembare grootheden die bepaald worden door de snelheid zijn : • gemiddeld energieverlies • Cherenkov straling extra subdetectoren

  31.  Everloren / afgelegde weg = func( snelheid v/c ) Bethe-Bloch formula Gemiddeld energieverlies • Deeltjes die die door een gas vliegen verliezen energie, o.a. door ionisatie •  Everlorenaantal ionisaties grootte van de signalen op de draden Nota : indien de onafhankelijke veranderlijke v zou zijn, zouden alle curven op elkaar liggen!

  32. Cherenkovlicht golffront c0 = lichtsnelheid in vacuüm Cherenkov straling • Deeltjes die in een middenstof sneller vliegen dan de lichtsnelheid in die middenstof zenden fotonen uit --> Cherenkov straling De hoek α is een maat voor de snelheid van het betreffende deeltje Vergelijk: de schokgolf bij supersonische vliegtuigen

  33. Inhoud • Botsingen • Detectoren • Principe • Subdetectoren • Operatie van detectoren • Voorbeeld CMS detector • Nood aan statistiek • Trigger + DAQ • Praktische toepassingen

  34. Voorbeeld : de CMS detector • Aantal uitleeskanalen: 16.000.000 • Aantal botsingen per seconde: 40.000.000

  35. Nood aan statistiek • Een enkele gebeurtenis : erg gecompliceerd en moeilijk te ontcijferen. • Meer gedetailleerde informatie : zorgvuldig uitgekozen parameters van de botsingen bekijken voor een groot aantal botsingen. 760.000 botsingen !

  36. Trigger + DAQ

  37. Inhoud • Botsingen • Detectoren • Principe • Subdetectoren • Operatie van detectoren • Praktische toepassingen • WWW • Medische diagnose • Medische behandeling

  38. Praktische toepassingen (1)

  39. Praktische toepassingen (2) • Medische diagnose tools : vb. PET scanner

  40. Praktische toepassingen (3) • PET beelden : • ADHD (Attention Deficit Hyperactivity Disorder) • Lezen / horen

  41. Praktische toepassingen (4) • Medische behandelingstools : vb. proton therapie

  42. Praktische toepassingen (5)

  43. Samenvatting • In deze serie over detectoren trachtten we uit te leggen • welke grootheden we in de hoge energie fysica trachten te meten • hoe we dat doen (tracking, calorimetrie, deeltjes identificatie) • Bij de studie van detectoren heb je veel disciplines uit en buiten de fysica nodig : • Onderzoek en ontwikkeling (detectors + electronica) • DAQ (data acquisitie, het verzamelen en verwerken van de gegevens = computertechnologie, soft& hardware) • toepassingen buiten de hoge energie fysica : • medische toepassingen, internet toepassingen, “alledaagse” toepassingen, ...

More Related