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Das COMPASS-Experiment

Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik. Das COMPASS-Experiment. Gliederung. Grundlagen des COMPASS Experiments Strahlführung Polarisiertes Target Dilutionkryostat Detektion und Identifikation von Teilchen. COMPASS-Experiment.

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  1. Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik Das COMPASS-Experiment

  2. Gliederung • Grundlagen des COMPASS Experiments • Strahlführung • Polarisiertes Target • Dilutionkryostat • Detektion und Identifikation von Teilchen

  3. COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy • Festkörper Target-Experiment mit zweistufigem Spektrometer

  4. COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

  5. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Nukleonen besitzen Substruktur • Quarks – beschreiben viele Nukleoneneigenschaften korrekt • Spin der Nukleonen jedoch nicht erklärbar • Nur 30% Beitrag des Quark-Spins zum Nukleonenspin • Gluonen und Bahndrehimpulse liefern auch einen Beitrag

  6. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Ziel des Myonenprogramms: Messung des Gluonenspin-Beitrags zum Nukleonenspin

  7. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Untersuchen der Substruktur mittels tiefinelastischer Leptonen-Nukleon-Streuung

  8. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Differentieller Wirkungsquerschnitt (experimentell): • Differentieller Wirkungsquerschnitt (theoretisch):

  9. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Leptonischer Tensor: Mit QED berechenbar • Hadronischer Tensor: Parametrisierung durch F1, F2, g1, g2 • Beide Tensoren sind Summen aus spinunabhängigem, symmetrischem und spinabhängigem, unsymmetrischem Teil

  10. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Spinabhängige Effekte nur, wenn sowohl Strahl als auch Target polarisiert • F1, F2 wurden genau vermessen • g1 an longitudinal polarisiertem Target messbar

  11. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Bestimmung der Gluonenplarisation aus Analyse des Skalenverhaltens der Strukturfunktion g1 • Betrachte Prozesse, in die die Gluonenpolarisation direkt eingeht • Photon-Gluon-Fusion

  12. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Identifikation von PGF-Ereignissen: • Open-Charm-Produktion • Nachweis von Hadronen mit hohem Impuls

  13. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Messung der Doppel-Spin-Asymmetrie: • Nutze: • Gluonenpolarisation geht direkt in die Asymmetrie ein

  14. Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • 2002 – 2004: 6LiD-Target, Myonenstrahl • 2006: Wiederaufnahme mit longitudinaler Polarisation und neuem 6LiD-Target • 2007: NH3-Target

  15. Hadronenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Innere Dynamik von Pionen und Kaonen • Glueball-Zustände • QCD-Vorhersagen verifizieren

  16. Strahlführung Beschleunigung von Protonen im SPS auf bis zu 400 GeV Produktionstarget: Beryllium Pionen und Kaonen (9,9%) Zerfall nach schwacher Wechselwirkung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 16

  17. Strahlführung Erhaltungssätze: Leptonenzahl: Das Neutralteilchen ist ein Myon-Neutrino Impuls: Myon und –Neutrino haben gleich große, entgegengesetzt gerichtete Impulse Neutrino: Spin entgegengesetz zum Impuls Pion hat Spin 0 Myon ist polarisiert (Spin entgegen dem Impuls gerichtet) Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 17

  18. Strahlführung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Hadronenabsorber • Durchmesser Myonenstrahl: 8 x 8 mm2 18

  19. Strahlführung Impuls: 160 GeV/c Polarisation: 80% Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 19

  20. Polarisiertes Target Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Messung von Asymmetrien • Identische Messung an zwei entgegengesetzten Polarisationen • Zwei (aktuell drei) hintereinander stehende, entgegengesetzt polarisierte Zellen

  21. Target aus dem COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

  22. Polarisierbarkeit Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • 6LiD: theoretisch polarisierbarerNukleonenanteil ca. 50% (tatsächlich erreichbar: 35%) • Dilutionfaktor f • Polarisation 50% • NH3: f = 0,15; P > 80%

  23. Polarisationsrichtungen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Zwei Kombinationen: • Longitudinale Polarisation • Messung der Gluonenpolarisation im Nukleon • Transversale Polarisation • Transversity-Verteilung

  24. Dynamische Nukleonenploarisation Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion • Erzeugung der Polarisation mittels „Dynamic Nuclear Polarisation“ • Kühlung des Targets auf ca. 0,4K • Elektronenpolarisation mittlels Mikrowellen auf Kerne übertragen • Einfrieren der Polarisation bei T < 100mK • Nur mit Dilutionkryostat möglich • Frozen Spin Mode

  25. Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

  26. Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Helium allgemein • Erzeugung tiefer Temperaturen • Prinzipieller Aufbau • Dilutionkryostat am COMPASS

  27. Helium allgemein Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • In der Natur nur zwei stabile Isotope: • 4He (Erdgasvorkommen) • Bosonen (I=0) • 3He (Kernreaktionen) • Fermionen (I=1/2)

  28. Spezifische Wärme Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Bezeichnung: • Helium-I/Helium-II

  29. 3He/4He - Mischungen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  30. 3He/4He - Mischungen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Kritischer Punkt: c=0,67 • T < 0,87K: Phasenseparation • 3He-reich (für T 0K: nahezu reines 3He) • 4He-reich

  31. Phasendiagramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  32. Endliche Lösbarkeit Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Selbst bei T 0K: gewisse Löslichkeit von 3He in 4He • Grund: Bindungskräfte zwischen 3He-Atomen kleiner als zwischen 3He und 4He • Nullpunktsenergie • Folge: Kühlung gemäß Enthalpiedifferenz möglich

  33. Osmotischer Druck Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  34. Erzeugung tiefer Temperaturen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Gasexpansion • Adiabatische Entmagnetisierung von magnetischen Momenten • Kryoflüssigkeiten

  35. Einfache andere Heliumkryostate Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Badkryostat • Verdampfungskryostat

  36. Badkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  37. Verdampfungskryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  38. Kühlmechanismus Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Kühlmechanismus findet in Mischkammer statt • Übertritt von 3He-Atomen aus der „leichten“ in die „schwere“ Phase Δ • ΔQ = TΔS=-84T2 (J/K2) • Nachliefern & Entfernen von 3He gewährleistet Kontinuität

  39. Prinzipieller Aufbau Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Kreislauf in Vakuumbehälter, der sich in 4He-Bad befindet • Mischkammer, Verdampfer, Gegenstromwärmetauscher • Zirkulation durch Pumpen am Verdampfer

  40. 3He/4He-Kreislauf Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  41. Performance Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Eintritt in den Kreislauf • Vorkühlung • Kondensation • Passieren des Wärmetauschers

  42. Performance Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Eintritt in 3He-reiche Phase • Diffusion von 3He über Phasengrenze

  43. Kühlleistung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Kühlleistung allgemein: • Umformen und Einsetzen:

  44. Kühlleistung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  45. Dilutionkryostat am COMPASS Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  46. Dilutionkryostat - Daten Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Mischkammer aus Mylar (Polyester-Folie) • Saugleistung des 3He Pumpsystems: 13500 m3/h • Benötigte Füllmenge 3He: 49 mol • 442 mol4He für Mischung

  47. Polarisation mit Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Typischer 3He-Fluss: 30 – 100 mmol/s • Kühlung: T = 300 mK • Beginn DNP • Nach Erreichen der Polarisation: • Ausschalten der Mikrowellen • Kühlung auf 55 mK • Frozen Spin Mode

  48. Polarisation mit Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion

  49. Kühlleistung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Kühlleistung: • Wärmeleck (Wärmestrahlung & -leitung): • Hauptquelle: Wärmeleitung der Cavity: 2,3 mW

  50. Polarisationsdifferenzen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat • Theorie • Kühlung • Aufbau • … am COMPASS Detektion • Verschiedene Kühlleistungen in upstream und downstream • 70% (30%) 3He-Zirkulation in upstream (downstream) • Unterschiedliche maximale Polaraisation (2 – 3%)

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