JAK WIDZIMY TO NIEWIDZIALNE

1. JAK WIDZIMYTO NIEWIDZIALNE czyli WPROWADZENIE DO DETEKCJI CZĄSTEK Z.Hajduk IFJ PAN KRAKÓW

2. Referencje • Niniejszy wykład korzysta z materiałów i danych zawartych w : • oraz CERN Summer Student Lectures 2005 DETECTORS Olav Ullaland, PH Department, CERN.

3. Cel naszego spotkania ? • Poznać bliżej aparaturę i jej zasady działania, stosowaną w badaniu Mikrokosmosu • Czyli świata cząstek elementarnych • Tym samym pozwolić Państwu na łatwiejsze oglądanie tego co zobaczycie • Niczym nie przypomina aparatury z jaką na co dzień spotyka się fizyk spoza tych badań

4. Jak robimy eksperyment FWE? • Zasada jest prosta: + =

5. Pytania ? • Z lecących szczątków zrekonstruować zegarek i zgadnąć jak działa ! • Bardzo uproszczone przedstawienie ale dość akuratne..... To był eksperyment na stałej tarczy • A jakby zderzyć dwa zegarki ?? To będzie eksperyment na zderzaczach

6. Szczątki (ale nie tylko!)

7. Różne konfiguracje

8. Składniki każdego eksperymentu Muon chambers Identification

9. Co mierzyć ? • Tory (topologia przypadku, wtórne wierzchołki) • Energię (hadronową i elektromagnetyczną) • Pęd (pomaga w identyfikacji) • Identyfikować (jaka cząstka ?) zwykle przez pomiar prędkości

10. ????????? • Cząstki możemy zobaczyć tylko kiedy oddziałują z materią detektora (stąd neutrina ‘prawie’ niewidzialne) • Oddziaływanie o którym myślimy odbywa się zawsze poprzez depozyt energii • Przeglądniemy te zjawiska

11. Prehistoria • Wystarczyło stwierdzić że cząstka przeszła/była ! • Geiger-Müller, komora mgłowa • Rutherford i scyntylująca płytka • Ale lepiej było wiedzieć : GDZIE ? • Rutherford • Wilson • Klisze fotoczułe

12. Prehistoria cd Scyntylacje depozyt energii -> światło Jonizacja

13. Historia - niedawna Zapis tylko optyczny - fotografia Trochę ‘późno’ !

14. Użyteczne oddziaływania z materią • Oddziałując z detektorem cząstka powinna pozostać pod każdym względem ‘nienaruszona’ - z ważnymi wyjątkami o czym później • Czyli – oddziaływania ‘miękkie’ - elektromagnetyczne

15. Jonizacja – straty dE/dx Rozproszenie nierelatywistyczne – ‘rutherfordowskie Formuła Bethe-Bloch

16. Jonizacja + • Efekt gęstości • Pojęcie cząstek MIP – minimalnie jonizujących

17. Jonizacja ++ • Fluktuacje w dE/dx (δ-elektrony)

18. Elektrony • Trochę inaczej – bo lekkie (e+/e-) • Znacznie wcześniej min jonizacji • Promieniowanie hamowania

19. A fotony ? • Neutralny • Fotoefekt • Einstein + Planck • Rozpraszanie comptonowskie • Kreacja par

20. A fotony ? • Neutralny • Fotoefekt • Einstein + Planck • Rozpraszanie comptonowskie • Produkcja par

21. Detektory oparte na jonizacji • Materiały: • Krzem, • German, • Węgiel (diament), • Arsenek Galu • Technologia: • Paskowe • Mozaikowe • Dryfowe Multi Wire Proportional Chambers MWPC Time Projection Chambers Time Expansion Chambers Proportional Chambers Thin Gap Chambers Drift Chambers Jet Chambers Straw Tubes Micro Well Chambers Cathode Strip Chambers Resistive Plate Chambers Micro Strip Gas Chambers GEM - Gas Electron Multiplier Micromegas – Micromesh Gaseous Structure • Podział wg materiału w którym następuje jonizacja • Gaz • Ciało stałe (półprzewodnik)

22. Detektory oparte na jonizacji + • Wg ról detektora • Pomiar śladów • Wszystkie ! • Identyfikacja • Tam gdzie wielokrotny pomiar dE/dx ! (zarówno w gazie jak i ciele stałym)

23. Inne zjawiska fizyczne -1 • Promieniowanie czerenkowskie • Progowe • Imaging

24. Inne zjawiska fizyczne - 2 • Promieniowanie przejścia – TR • Tylko wysoko energetyczne e+/- emitują TR o wystarczającej intensywności

25. simulated Bd0→J/  Ks0 Detection q, g M.L. Cerry et al., Phys. Rev. 10(1974)3594 TR – promieniowanie przejścia

26. Inne zjawiska fizyczne - 3 • Scyntylacje (tu w krysztale) • Ale też organiczne (stałe i ciekłe)

27. Photo Cathode Dynodes Scyntylacje - pomiar światła Anode • Systemy wyzwalania • Kalorymetria • Pomiar śladu

28. Jak używamy jonizacji ? - 1 • Stwierdzić że była ! • Zmierzyć jej wielkość

29. Jak używamy jonizacji ? - 2 • Detektory mierzące ślady – gazowe • Wzmocnienie gazowe MWPC – G. Charpak – nagroda Nobla 1992

30. Komory dryfowe

31. p, q,b Jak używamy jonizacji ? - 2 • Detektory mierzące ślady – ciało stałe • Różne konfiguracje

32. Pomiar śladu - mozaika • Możliwe miliony sensorów

33. Pomiar śladu • Pomiary wtórnych wierzchołków oddziaływania • Pomiary topologii • Pomiar pędu (+magnesy)

34. Pomiar pędu • Pomiar śladu oraz system magnesów • Dla stałej tarczy – dipole • Dla zderzaczy -

35. Pomiar energii - 1 • Całkowite ‘zniszczenie’ cząstki i absorpcja jej energii (+pomiar topologii) • Próbkujące – konwerter + pomiar jonizacji • Jednorodne (kryształy) Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA

36. Pomiar energii - 2 • Kalorymetry elektromagnetyczne i hadronowe

37. Identyfikacja cząstek - 1 • Pomiar pędu • + pomiar prędkości ->> możemy zmierzyć masę • TOF – czas przelotu • Promieniowanie przejścia (elektron-hadron) • Pośrednio – wygląd kaskady (shower) • Ze śladem lub bez w ‘trakerze’ (e/γ) • Pomiar jonizacji (dE/dx)

38. Identyfikacja cząstek - 2 • TOF – czas przelotu (pomiar pędu konieczny)

39. Identyfikacja cząstek - 2 • Pomiar jonizacji (dE/dx) • W gazie (TPC) • W ciele stałym (detektorach Si)

40. Główne wyzwania • Śmiertelne promieniowanie • Ogromne częstości zdarzeń i wielka krotność cząstek w zdarzeniu • Jakość produkcji przy unikalnym wytwarzaniu (wymagania kosmiczne) – brak możliwości serwisu • Miniaturyzacja – wielka gęstość elementów czynnych – chłodzenie i zasilanie

41. Podsumowanie • Bardzo pobieżne i płytkie spojrzenie na dziedzinę fizyki która raz na ‘naście lat przynosi nagrodę Nobla • Rozwój i postęp możliwy dzięki rozwojowi elektroniki • Trudne zadanie dla młodzieży – dziś projekt trwa ‘naście’ lat (zaczęliśmy w końcu lat 80-tych) i kontynuuje drugie tyle Dziękuję Państwu za uwagę