Deeltjesdetectoren

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, ...