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Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren

Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren. Rüdiger Reuter. Inhalt. Motivation Entstehung der Cherenkov-Strahlung Radiatormaterialien Detektorsysteme Delphi BaBar. Motivation. Teilchenidentifikation geladener Teilchen in Hochenergiephysik Experimenten

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Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren

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Presentation Transcript

  1. Teilchenidentifikation mitCherenkov-Detektoren Rüdiger Reuter

  2. Inhalt • Motivation • Entstehung der Cherenkov-Strahlung • Radiatormaterialien • Detektorsysteme • Delphi • BaBar

  3. Motivation • Teilchenidentifikation geladener Teilchen in Hochenergiephysik Experimenten • Zusammensetzung eines Hadronenstrahls in Zählratenexperimenten • Vermessung von Vierer-Vektoren • Bestimmung des Impulses: • Spurrekonstruktion eines geladenen Teilchens im Magnetfeld (z.B.Driftkammer) • Bestimmung der Energie: • Energiebestimmung aus Geschwindigkeit • Ausnutzung des Cherenkov-Effekts =>v =>m => Identität

  4. Pawel Alexejewitsch Tscherenkow • Russischer Physiker • * 28.Juli 1904 • † 6.Januar 1990 • 1958 Nobelpreis für die Entdeckung und Interpretation des Cherenkov-Effekts

  5. Entstehung von Cherenkov-Strahlung - Cherenkov-Strahlung entsteht, wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Medium mit Brechungsindex n schneller bewegt, als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium.

  6. Cherenkov-Kegel • Durch Messung des Emissionswinkels ist Rückschluss auf die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens möglich!

  7. Beispiel für Cherenkov-Strahlung

  8. Emittierte Photonen Für einfach geladene Teilchen im optischen bzw. nahen UV Bereich 400nm<λ<700nm (da Nachweis mit photosensitiven Detektoren): =>typischerweise 1 bis 100 Photonen pro cm

  9. Emittierte Photonen Der durch den Cherenkov-Effekt hervorgerufene Energieverlust ist klein gegen die Gesamtenergie!

  10. Radiatoren * Bei Normaldruck

  11. Radiatoren

  12. Detektorsysteme • Ein Cherenkovdetektor besteht aus: • Radiator • Photosensitiven Detektor zum Nachweiß der Cherenkov-Photonen • Es gibt u.a. folgende Systeme: • Schwellen-Detektoren • Differentielle Detektoren • Ring-Image-Cherenkov-Detektoren (RICH) • Beispiele: Delphi, BaBar

  13. Schwellendetektoren • Erlauben Aussage über v größer oder kleiner als c/n durch Ausnutzen der Cherenkov-Schwelle • Hintereinanderschaltung mehrerer unterschiedlicher Radiatoren ermöglicht Teilchenunterscheidung • Nur für festen Impuls! • Keine Winkelmessung möglich!

  14. Differentielle Detektoren • Zielsetzung: Zählratenmessung von Hyperonen(Σ,Ξ) • Funktionsprinzip: • Blende deckt Winkelbereich ab • Gasdruck ändert n (linear) =>Winkeländerung • Zerfallslänge(20GeV) 57cm => kompakter Detektor Masse Σ :1197 MeV/c^2 Masse Ξ :1321 MeV/c^2

  15. Differentielle Detektoren Länge: 48cm Θ=120mrad Δβ=5e-5 Korrekturlinsen: Δβ=2e-4 -> Δβ=5e-5 - Keine Gleichzeitige Messung für unterschiedliche Impulse und Winkel!

  16. Differentielle Detektoren P=20GeV

  17. RICH Detektoren • Differentielle oder Schwellendetektoren lassen sich nicht für Exp. Einsetzen, wo eine hohe Raumwinkelabdeckung erforderlich ist z.B. Collider =>RICH • Abdeckung fast des gesamten Raumwinkels möglich • Messung des Cherenkov-Winkels • Großer Impulsbereich kann abgedeckt werden

  18. RICH Detektoren

  19. Delphi Detektor am CERN • Von 1989 bis 2000 am Cern • Untersuchung der schwachen Wechselwirkung • Symmetrischer Collider

  20. Delphi Detektor am CERN • Barrel RICH • 3,5 Meter lang • Deckt Winkel von 40° bis 140° ab • Außendurchmesser: 385cm • Innendurchmesser: 260cm • =>Dicke: 125cm • Identifizierung von geladenen Hadronen (π,K,p) über einen großen Impulsbereich

  21. Barrel RICH

  22. Barrel RICH

  23. Rekonstruktion Λ->Kπ • Die Messwerte des Cherenkov-Detektors helfen aber bei der Rekonstruktion eines Λ • Leichtere Identifizierung der Teilchen • Reduktion des Untergrunds um Faktor 2 Methode der invarianten Masse

  24. BaBar Detektor am SLAC • Läuft seit 1999 am Slac • Elektronen 9GeV kollidieren mit 3,1GeV Positronen (asymmetrisch)

  25. Länge: 5m • Innendurchmesser: 83,6cm • Außendurchmesser: 85,3cm • =>Dicke: 1,7cm • 11.000 PMTs • Standoff-Box: 1,17m • Winkel: 51,4°-154,5°

  26. DIRC 144 Quarzstäbe, 5m Lang, 1,7cm dick • 11.000 PMT • PMT außerhalb des Magnetfelds

  27. DIRC

  28. DIRC

  29. Zusammenfassung Cherenkov-Effekt liefert: • Detektortypen: • Schwellendetektoren • v > c/n • Differentielle Detektoren • Teilchenidentifizierung für Zahlraten • RICH Detektoren • Geschwindigkeitsbestimmung => Identität • Messung über vollen Raumwinkel

  30. Zusammenfassung Aus detektiertem Ring kann v bestimmt werden Teilchenunterscheidung in großen Impulsbereichen RICH Teilchenidentifizierung reduziert den Untergrund

  31. Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit

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