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Die Tevatron Antiproton-Proton-Experimente

Seminar SS04. Die Tevatron Antiproton-Proton-Experimente. Patrick Eraerds 11.05.2004. Überblick. Tevatron (die Anlage) Teilchenwechselwirkung • Geladene Teilchen • Photonen • Hadronen Die Tevatron-Detektoren • CDF (Spursystem) • D0 (Kalorimeter+Muonsystem).

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Die Tevatron Antiproton-Proton-Experimente

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Presentation Transcript

  1. Seminar SS04 Die Tevatron Antiproton-Proton-Experimente Patrick Eraerds 11.05.2004

  2. Überblick • Tevatron(die Anlage) • Teilchenwechselwirkung • Geladene Teilchen • Photonen • Hadronen • Die Tevatron-Detektoren • CDF (Spursystem) • D0 (Kalorimeter+Muonsystem)

  3. Tevatron Ø=2 km O=6.3 km

  4. Tevatron Wechselwirkungs-punkte CDF D0 Vorbeschleuni-gung Protonen 2 TeV Antiprotonen-erzeugung Target 150 GeV Main-Injector Antiprotonen-sammlung integrierte Luminosität (Mai 04) : 0.5 fb-1

  5. Teilchenwechselwirkungin Materie 1.Geladene Teilchen 2.Photonen 3.Hadronen

  6. Teilchenwechselwirkung 1.Geladene Teilchen • Ionisation und Anregung • Bremsstrahlung

  7. Teilchenwechselwirkung 1.Geladene Teilchen Bethe-Bloch-Formel • Ionisation und Anregung • Bremsstrahlung

  8. Bethe-Bloch-Formel

  9. Bethe-Bloch-Formel const Unabhängig vom einfallenden Teilchen

  10. Bethe-Bloch-Formel Ladung des einfallenden Teilchens const Unabhängig vom einfallenden Teilchen

  11. Bethe-Bloch-Formel Ladung des einfallenden Teilchens const Unabhängig vom einfallenden Teilchen Materialgrößen

  12. Bethe-Bloch-Formel Ladung des einfallenden Teilchens const Unabhängig vom einfallenden Teilchen F(b) abhängig von Geschwindigkeit des einfallenden Teilchens Materialgrößen

  13. • d.h. der Energieverlust durch Ionisation und Absorption ist unabhängig von der Masse des einfallenden Teilchens. • das einfallenden Teilchen geht nur über seine Ladung und seine Geschwindigkeit ein • Muonen und Elektronen besitzen gleichgroßes dE/dx

  14. Bethe-Bloch-Formel Xenon • Ersetzev durch p/m und plotte dE/dx gegen Impuls p→ unterschiedliche Kurven, parametrisiert über Masse m. •Sättigungswert nur wenig über Minimum, darum spricht man bei hohen Energien von MIP´s (minimal ionizing particles) me<mµ<mp<mK<mp p K dE/dx [keV/cm] Sättigung p geringer Anstieg e µ Minima 0.1 1 10 100 Impuls p [GeV/c]

  15. Teilchenwechselwirkung 1.Geladene Teilchen • Ionisation und Anregung • Bremsstrahlung Kern q q

  16. Bremsstrahlung

  17. Bremsstrahlung const. unabhängig von Material und Teilchen

  18. Bremsstrahlung Materialkonstante (Absorbermaterial) const. unabhängig von Material und Teilchen

  19. Bremsstrahlung Materialkonstante (Absorbermaterial) const. unabhängig von Material und Teilchen Teilchenladung z Teilchenmasse m Teilchenenergie E

  20. Bremsstrahlung linear in E m-2 !! Materialkonstante (Absorbermaterial) const. unabhängig von Material und Teilchen Teilchenladung z Teilchenmasse m Teilchenenergie E

  21. Bremsstrahlung •~E→ Bremsstrahlung dominiert Ionisation (läuft in Sättigung) bei großen Energien •m-2 -Abhängigkeit unterdrückt Bremsstrahlung bei schweren (bzgl. e-) Teilchen (Muon,Pion,Kaon,Proton etc.) Zum Vergleich : Beim Elektron dominiert die Bremsstrahlung ab etwa 20 MeV dE/dx [MeV g-1 cm2] Ionisation Bremsstrahlung 1 10 102 103 104 Muonenergie [GeV]

  22. Bremsstrahlung Materialkonstante (Absorbermaterial) const. unabhängig von Material und Teilchen Teilchenladung z Teilchenmasse m Teilchenenergie E

  23. Bremsstrahlung 1 _ =: Strahlungslänge X0

  24. Bremsstrahlung e- e- ~X0 Beispiele(Elektron): · Strahlungslänge in Blei : X0≈ 0,56 cm · Strahlungslänge in Eisen : X0≈ 1,76 cm · Strahlungslänge in Silizium :X0≈9,4 cm · Strahlungslänge in H2:X0≈7 km

  25. Bremsstrahlung Fazit : • Bremsstrahlung beim Tevatron nur für e- bzw. e+ relevant • m-2-AbhängigkeitGrund für unterschiedliches Absorptionsver-halten von Muon und Elektron bei hohen Energien Im Folgenden Strahlungslänge immer Strahlungslänge des Elektrons.

  26. Teilchenwechselwirkungin Materie 2.Photonen • Photoeffekt • Comptonstreuung • Paarerzeugung

  27. Photonen Dx I-DI I Absorber Intensität Massenabsorptionskoeffizient

  28. Photonen 10 1 71 71 • • 9X0 9X0 10-1 • Photoeffekt • Comptonstreuung • Paarerzeugung µ [cm-1] 10-2 10-3 0.01 0.1 1 10 100 Hauptmechanismus ! E(g) [MeV]

  29. Photonen 10 1 71 • 9X0 10-1 µ [cm-1] Bedeutung der Strahlungslänge bei einzelnem Photonen : Nach Durchflug einer Strahlungs-länge X0, ist mit 54%-tiger Wahr-scheinlichkeit,Paarbildung erfolgt. 10-2 10-3 0.01 0.1 1 10 100 -7/9 1- e = 0.54 E(g) [MeV]

  30. Photonen Fazit : • Hauptwechselwirkungsmechanismus energiereicher Photonen ist diePaarerzeugung • Strahlungslänge X0 charakteristisch für Paarerzeugung e+ ~X0 e-

  31. Teilchenwechselwirkung 3.Hadronen • starke Wechselwirkung

  32. Hadronen Dx N-DN N Absorber DN Verminderung der Teilchenzahl durch inelastische Prozesse Anzahl mittlere Absorptionslänge (auch Wechselwirkungslänge)

  33. Hadronen Dx N-DN N Absorber Hadron ~la Beispiele: · Absorptionslänge in Blei la(Pb) ≈ 17 cm · Absorptionslänge in Eisen la(Fe) ≈ 19 cm

  34. Hadronen Dx N-DN N Absorber Hadron ~la Strahlungslängen zum Vergleich Beispiele: · Absorptionslänge in Blei la(Pb) ≈ 17 cm · Absorptionslänge in Eisen la(Fe) ≈ 19 cm X0≈ 0,56 cm X0≈ 1,76 cm

  35. Schauer Verhalten hochenergetischer Teilchen in Materie: e+ g e+ abwechselnd Paarerzeugung + Bremsquantemission g e-, e+, g : e- e- ~X0 • Stabile Entwicklung K0 p+ nm Hadron Hadronen : K+ µ ~la • Starke Schwankungen in Produktionsraten po jeweils inelast. hadr. Ww

  36. Teilchenwechselwirkung • Geladene Teilchen • Photonen • Hadronen C ? C C

  37. Detektoren am Fermilab 1.Allgemein 2.CDF 3.D0

  38. hadronisches Kalorimeter Magnet elektromagne- tisches Kalorimeter Photon Muonsystem Neutron Spursystem (incl. Stahlmantel) e+,e- p,p+,p- Muon • Neutrinoidentifikation indirekt über fehlenden Transversalimpuls

  39. CDF(Collider-DetectoratFermilab) • 5000 Tonnen 10 m 16 m

  40. CDF Muonsystem Kalorimeter Magnet 10 m Spursystem 16 m

  41. CDF 10 m Spursystem 16 m

  42. Spursystem : Spursystem • Vertexdetektor (Siliziumstreifen) • (Auflösung ~10µm) • 2.Driftkammer (Gas) • (Auflösung ~175µm) Sekundärvertex Primärvertex

  43. Spursystem : 1.Vertexdetektor Spursystem Lage 0(support) Lagen 1- 5 Supportstruktur Lage 0 Lagen 6-7 Lagen 1- 5 1.9 m

  44. Spursystem : 1.Vertexdetektor Spursystem Streifensensor SVX II

  45. Spursystem : 1.Vertexdetektor Spursystem Verarmungsbereich Streifensensor p n Auflösung bis 10µm _ + E-Feld p-Dotierung > n-Dotierung Verarmungsbereich mit E-Feld _ +

  46. Spursystem : 1.Vertexdetektor Spursystem Streifensensor

  47. CDF Driftkammer

  48. Driftkammer • ebene Driftkammer : + - + - + - + - Ziel : tDrift~ LDrift

  49. Driftkammer

  50. Driftkammer Teilchendurch- gang

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