Teilchenphysik: Stand und Perspektiven

1. Teilchenphysik: Stand und Perspektiven http://wulz.home.cern.ch/wulz/Vorlesung/Perspektiven2_2012.pdf 142.095 (TU), , 260152 (Universität) Claudia-Elisabeth Wulz InstitutfürHochenergiephysikder ÖsterreichischenAkademiederWissenschaften c/o CERN/PH, CH-1211 Genf 23 Tel. 0041 22 767 6592, GSM: 0041 76 487 0919 E-mail: Claudia.Wulz@cern.ch http: //home.cern.ch/~wulz TU und Universität Wien, 5. März2012 Teil 2

2. Photonen Elektronen Myonen Pionen, Protonen Neutronen außen ... innen ... Teilchendetektoren Kein einzelner Detektor ist optimal, um gleichzeitig Zeit, Position, Impuls und Energie von Teilchen zu messen sowie sie zu identifizieren. Detektor TrackerElektrom.Hadron-Myonsystem Kalorimeterkalorimeter

3. Transversalschnitt durch CMS http://cms.web.cern.ch/cms/Detector/FullDetector/index.html

4. Zeitmessung Geladene Teilchen erleiden Energieverlust durch Anregung und Ionisierung von Atomen im Detektormedium. Ein Teil der Anregungsenergie erscheint in geeigneten Medien als sichtbares Licht, das in Lichtleitern durch Vielfachreflexion zu einem Auslesegerät transportiert werden kann -> Szintillationszähler. Photoelektronenvervielfacher (“Photomultiplier”, “PM”) sind oft verwendete Auslesegeräte. Die Dauer der elektrischen Pulse kann einige ns betragen (organische Szintillatoren, Wellenlängenschieber notwendig)! Zeitauflösung bis zu 200 ps -> Verwendung im Trigger! Verwendung als Koinzidenzzähler und zur Strahldefinition. Probleme: Anpassung der Szintillatorgeometrie an den PM sowie Arbeit in Magnetfeldern.

5. Licht vom Szintillator ] 1. Dynode …………. Anode Glühkathode (Photokathode) Photoelektronenvervielfacher

6. Anz. der freigewordenen Photoelektronen Quanteneffizienz h(l) = Anz. der auf die Kathode treffenden Photonen (l) Photoelektronenvervielfacher Photokathode: e werden durch Photoeffekt frei. Dynoden: Sekundäremissionselektroden mit sukzessive wachsender Potentialdifferenz PM’s haben i.a. 10 bis 14 Stufen. Verstärkungsfaktoren (“Gain”) bis zu 108 können erreicht werden. Die verschiedenen Spannungen an den Dynoden werden durch Spannungsteiler erzeugt. Die Effizienz für Photoelektronenkonversion an der Kathode hängt stark von der Frequenz des einfallenden Lichtes sowie vom Material ab. Für die meisten Metalle ist h < 0.1%! Halbleiter haben h zwischen 10 und 30%. GaP (dotiert mit Zink und Cäsium) hat h ≈ 80%! h ist für ca. 400 nm Wellenlänge am größten.

7. Eigenschaften einiger Szintillatoren NaI(Tl) BGO CsI(Tl) Polystyren +p-terphenyl Zerfallszeit / ns 250 300 1000 3 lmax (nm) 410 480 565 355 Relative Lichtausbeute 1.0 0.15 0.40 0.13 Szintillatoren erzeugen große Ausgangspulse mit kurzer Anstiegszeit. Jedoch ist die räumliche Auflösung schlecht, da keine klare Korrelation zwischen Teilchentrajektorie und Puls besteht. Braucht man räumliche Information, ordnet man mehrere kleine Szintillationszähler in einem “Hodoskop” an. Um z.B. einen Strahl genau zu definieren, nimmt man mehrere Zähler in Koinzidenz (“Beam Telescope”). Vor allem in Teststrahlen (Test Beams) von Bedeutung. Strahldefinition

8. e 600 mm m p+ -> m+ + nm - m+ -> e+ + ne + nm Ortsmessung Pion-Zerfall in photographischer Emulsion Grundlage: Ionisation. Ionisationsprodukte werden auf Elektroden gesammelt oder die Ionisationsspur wird sichtbar gemacht. Historische Beispiele: photographische Emulsionen, Nebelkammer, Blasenkammer Emulsionen haben Auflösung < 1 mm, sind aber kontinuierlich sensitiv, und die Ereignisse müssen mit dem Mikroskop gesucht werden! C. Lattes et al., Nature 159 (1947) 694 p

9. K+ } 3 cm Blei m+ Geladenes V-Ereignis: K+ -> m + + nm Wilson’sche Nebelkammer Kondensation von Wasserdampf schneller bei Anwesenheit von Ionen. Gefüllt mit Luft, die mit Wasserdampf fast gesättigt ist. Bei Expansion: Luft wird kühler, Tröpfchenbildung entlang Spuren von Ionen, die durch durchgehende geladene Teilchen verursacht wurden. Sensitiv nur während der Expansionszeit, lange Totzeit danach. 1952 durch Blasenkammer ersetzt. Diese ist gefüllt mit Flüssigkeit statt mit Gas, wodurch sie auch als Target dienen konnte. Rochester & Butler, Nature 160 (1947) 855

10. Big European Bubble Chamber (BEBC) Photo: CERN

11. Blasenkammerereignis (neutrale Ströme) Photo: CERN

12. Anodendraht Signal 1 V0 _ _____ Kathode E = r ln(b/a) Proportionalkammern 104 bis 105 V/cm -> Anzahl der Sekundärelektronen ist proportional zur Anzahl der Primärionenpaare (≈ 105 / Primärionenpaar). Proportionalzählrohr +V0 r… Radialabstand, a … Zylinderradius, b … Drahtradius) Gasgefüllt, z.B. mit Argon. “Quenching” - Komponente (z.B. Methan) für höhere Spannungen nötig, um die Ausbreitung von Elektronen bzw. Ionen zu stoppen.

13. Gasverstärkungsbereiche Ionen pro PrimärpaarfürtypischenDetektormit 1 Drahtfürstark (a-Teilchen) und schwach (Elektron) ionisierendeTeilchen

14. Kathode Kathode Anoden- drähte Äquipotential- und Feldlinien in MWPC Multiwire Proportional Chamber (MWPC) Charpak (1968, Nobelpreis 1993): viele Anodendrähte zwischen zwei Kathodenplatten. Ortsauflösung: ≈ 300-500 mm, Zeitauflösung ≈ 30 ns. L ≈ 5-8 mm, d ≈ 1-2 mm, Drahtdurchmesser 20-40 mm Nur 1 Koordinate durch Adressen der getroffenen Drähte!

15. Teilchenspur “Charge Division” y Anodendraht QB QA ADC (Analog/Digital - Konverter) ADC y QA L y ___ = ___________ ___) ≈ 0.4 % s ( L QA+ QB L Multiwire Proportional Chamber (MWPC) Messung der zweiten Koordinate x-y (u-v) - Konfiguration Gekreuzte Drahtebenen “Geistertreffer”, daher nur für niedrige Multiplizitäten

16. Multiwire Proportional Chamber (MWPC) Photo: CERN

17. Driftzelle t1 to Driftkammer Ersatz von MWPC. Auflösung 100-200 mm. t0 t1 Szintillationszähler startet einen Timer (TDC) und definiert t0 . t1 ist die Ankunftszeit der Elektronen am Anodendraht. vDmuß möglichst konstant sein. TypischeWerte um 5 cm/ms. Eine Driftzelle ist typischerweise einige cm lang bzw. breit.

18. Driftkammer Driftkammern gibt es in planaren (z.B. CMS-Experiment am CERN) und zylindrischen Anordnungen (“Jetkammern”, z.B. OPAL-Experiment am CERN).

19. Driftkammer Straw Tracker des ATLAS-Experiments Photo: CERN

20. Streamerkammer Gasverstärkung 108 Elektronen pro Primärionenpaar -> “Streamermode” (lokales Plasma) -> durch Rekombination von Ionen entsteht sichtbares Licht von den Streamern -> elektrischer Puls. Elektroden sind parallele Platten, HV 10-50 kV/cm mit Pulslänge von 3 - 50 ns ergibt Streamer von einigen mm Länge. Auflösung ca. 200 mm. Elektrisches Analogon zur Blasenkammer. Photo: CERN

21. Resistive Plate Chamber (RPC) Abgeleitet von Proportionalkammern. Arbeitspunkt nahe dem Streamer Mode (starke Photonemission). Elektroden z.B. aus Bakelit (r ≈ 109-1010Wcm) mit Graphitbeschichtung. Zeitdispersion: ≈ 1-2 ns -> geeignet zum Triggern! RPC’s gibt es auch in Anordnungen mit mehreren Gasgaps. Dadurch erreicht man bessere Effizienz und zeitliche Auflösung.

22. Time Projection Chamber (TPC) 3-dimensionaler Spurendetektor, der auf Ideen der MWPC und der Driftkammer basiert. Hauptsächlich in Verwendung bei e+e- - Collidern und Ionenexperimenten. Die TPC besteht aus einem großen, gasgefüllten Zylinder mit einer dünnen HV-Elektrodenplatte in der Mitte -> uniformes E-Feld. Zusätzlich wird ein paralleles B-Feld angelegt. An den Stirnseiten des Zylinders sind Sektoren von Ebenen aus Anodendrähten angeordnet (Endkappen). Parallel zu jedem Draht liegen Kathodenpads. Die durch den Durchgang eines Teilchens erzeugten Elektronen driften zu den Endkappen. 1 Koordinate ist durch die Position der getroffenen Anode gegeben, die 2. durch das auf den Kathodenpads induzierte Signal. Die 3. Koordinate entlang der Zylinderachse ist durch die Driftzeit der Ionisationselektronen gegeben. Man erhält viele Raumpunkte entlang einer Spur. Zur Vermeidung von Diffusion ist das Magnetfeld vorhanden. Signalamplituden an den Endkappen sind proportional zum Energieverlust dE/dx. Der Impuls kann aus der Krümmung bestimmt werden -> Teilchenidentifikation.

23. Time Projection Chamber (TPC) paralleles Magnetfeld Teilchen Elektrisches Feld Driftende Elektronen Endkappen Hochspannungs- ebene Hochspannung Elektronen driften Kathodenpads Anodendrähte

24. Time Projection Chamber (TPC) ca. 1000 Spuren

25. p-n Übergang mit Sperrspannung Abreicherungszone ohne Vorspannung - Dotation: n: As, P, Sb (5 Valenzel.) p: Ga, B, In (3 Valenzel.) + n p Abreicherungszone mit Vorspannung Halbleiterdetektoren Bei Halbleiterdetektoren spielen Elektron-Loch-Paare die Rolle von Ionenpaaren in Gasdetektoren. Ohne Sperrspannung findet anfangs eine Diffusion von Löchern zur n-Region und von Elektronen zur p-Region statt. Die diffundierenden Elektronen füllen Löcher in der p-Region, die Löcher fangen Elektronen in der n-Region. Da n- und p-Regionen ursprünglich elektrisch neutral waren, entsteht Aufladung beiderseits des pn-Übergangs. p-Region wird negativ, n-Region positiv. Dadurch entsteht ein Feldgradient, der schließlich die Diffusion aufhält. Es entsteht eine Zone, die frei von mobilen Ladungsträgern ist.

26. Halbleiterdetektoren DurchAnlegeneinerSperrspannung (ca. 100V) wird die dünneAbreicherungszone auf den ganzenBereichausgedehnt. DurchEnergieabgabe in derabgereicherten Zone (durchdurchgehendegeladeneTeilchen) entstehenfreieElektron-Loch-Paare. ElektronenwerdenausdemValenzband in das Leitungsbandgehoben, esentstehtein Loch imValenzband. ImelektrischenFelddriften die Elektronen und Löcherzu den Elektroden - esentstehteinmessbarerStrom. Das gemesseneSignalistproportionalzurIonisation. Elektron-Loch-Paarespielen also die Rolle von Elektron-Ionen-Paaren in Gasdetektoren. Die zur Ionisation nötigeEnergieistaber ca. 10 mal kleineralsfürGasionisation. DadurchwirdbessereAuflösungals in Gasdetektorenerzielt.

27. Auslesestreifen Silizium-Mikrostrip-Detektoren Diese werden als Präzisionstracker benützt. Sehr gute Auflösung, bis zu 5 mm (durch “Charge Division”). Rauminformation durch Segmentierung der p-Schicht -> einseitiger Mikrostripdetektor. Doppelseitige durch zusätzliche Segmentierung der n-Schicht.

28. Silizium-Mikrostrip-Detektoren Zwei 15x15 cm2 Silizium-Mikrostrip-Detektoren mit Auslesechip (CMS-Experiment)

29. Silizium-Mikrostrip-Detektoren Tracker des DELPHI-Experiments

30. Ereignis im DELPHI-Vertexdetektor 1.2 M Zellen Hitauflösung 10 mm im Barrel 0.0 7.5 cm Silizium-Mikrostrip-Detektor als Vertexdetektor

31. 100mm 50mm Silizium-Pixel-Detektoren • Diodenmatrix aus Silizium • Ausleseelektronik mit gleicher Geometrie • Verbindung durch Bump Bonding • Als Präzisionsvertexdetektoren verwendet 16x24 Pixel-Matrix (BELLE)

32. Impulsmessung Der Impuls wurd durch Messung der gekrümmten Bahnen geladener Teilchen im Magnetfeld festgestellt -> Spektrometer. Bei Collidern um den Wechselwirkungspunkt angeordnet.

33. Magnetfeldkonfigurationen • Dipol • Feldlinien normal zur • Strahlrichtung. Beste Impulsauflösung für Teilchen in Vorwärtsrichtung. Oft in Fixed Target Experimenten. • Solenoid • Feldlinien parallel zur • Strahlrichtung. Beste Impulsauflösung für Teilchen in normal zur Strahlrichtung. Dipol Solenoid

34. Magnetfeldkonfigurationen von ATLAS und CMS ATLAS Toroide + zentrales Solenoid CMS langes Solenoid

35. ATLAS-Detektor A Toroidal LHC Apparatus

36. CMS-Detektor Compact Muon Solenoid

37. 13.6 MeV q0 = _____________ q √ L/X0 {1+0.038 ln(L/X0)} bcp Q r Energiemessung Kalorimeter messen Energie und Position. Prinzip: totale Absorption. Messung von geladenen und neutralen Teilchen möglich. Während der Absorption tritt das Teilchen mit dem Absorbermaterial in Wechselwirkung, erzeugt Sekundärteilchen, die weitere Teilchen erzeugen -> Kaskade (Schauer). Deshalb heißen Kalorimeter auch Schauerzähler. Der Schauer entwickelt sich hauptsächlich in Längsrichtung. Kleinere transversale Komponente durch Vielfachstreuung und Transversal-impulskomponenten der erzeugten Teilchen. L q0 = qRMS = <q2>1/2 , rRMS = Lq0 X0 … Strahlungslänge q …. Ladung

38. DE 1 _____ ~ ___ E √ E Energiemessung Kalorimeter sind zum Nachweis hochenergetischer Teilchen besonders geeignet. Der Absorptionsprozeß ist ein statistischer Prozeß, deshalb gilt bei hohen Energien: Es gibt 2 Grundtypen von Kalorimetern: homogene und Sandwichkalorimeter Homogene Kalorimeter Absorber und Detektor in einem, z.B. Bleiglas. Nur elektromagn. Kal. Sandwichkalorimeter Absorber (Pb, Fe, Cu, …) und Detektor (Szintillator, …) in abwechselnden Schichten (“Sampling-Kalorimeter”). Kalorimeter dienen normalerweise zum Nachweis von nur einer Teilchenart (e/g, Hadronen). Eigenschaften von elektromagnetischen und hadronischen Schauern sind nicht gleich.

39. Hochenergetische e+/e-: Energieverlust hautpsächlich durch Bremsstrah-lung. Hochenergetische Photonen: Energieverlust hauptsächlich durch Paarerzeugung. Es entsteht eine Kaskade von e+/e--Paaren und Photonen, bis die Energien der Sekundärelektronen unter die kritische Energie Ec fallen, bei der Ionisationsverluste gleich den Bremsstrahlungsverlusten werden (Ec ≈ 600 MeV/Z). Transversale Ausdehnung eines elektromagnetischen Schauers (95% des Schauerkonus ist in einem Zylinder mit Radius 2 RM enthalten) (“Molière-Radius”): Es … mec2 √ 4 p/a = 21.2 MeV z.B. Bleiglas: RM = 1.8 cm, X0 = 3.6 cm Es RM = X0___ Ec Elektromagnetische Schauer

40. g e- e- g g e+ g e- e- e- e- e+ g e- t = 0 1 2 4 Strahlungslängen Longitudinale Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers Einfaches Modell: Jedes e mit E > Ec (Anfangsenergie E0 , E0 >> Ec) gibt nach 1 X0 die Hälfte seiner Energie an ein Bremsstrahlungsphoton ab, jedes Photon mit Eg > Ec gibt nach 1 X0 seine Energie durch Erzeugung eines e+/e- - Paares ab. Elektronen mit E < Ec strahlen nicht mehr und verlieren den Rest ihrer Energie durch Kollisionen. e+

41. E0 Et (t) = ____ 2t ln 2 ln (E0/Ec) tmax = t (Ec) = ____________ Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers Nach t Strahlungslängen ca. 2t Teilchen im Schauer. Mittlere Energie der e/g: Die Schauerentwicklung hört auf, wenn E(t) = Ec: Elektromagnetischer Schauer in Nebelkammer

42. Elektromagnetische Kalorimeter Typische Längenausdehnung: für 30 GeV Teilchen --> mehr als 20 X0 . Energieauflösung: a … Stochastischer Term; a ≈ (2 … 15)% b … Konstanter Term (Inhomogenitäten, Interzellkalibration, Nichtlinearitäten) -> dominiert bei hohen Energien; b ≈ (0.5 … 5) % c … Noiseterm (Elektronisches Rauschen, Radioaktivität, Pile-up) Die räumliche und die Winkelauflösung zeigen auch ein 1/√E - Verhalten.

43. Hadronische Schauer Qualitativ ähnlich den em. Schauern, jedoch treten komplexere (inelastische) Prozesse auf. Mehr Fluktuationen -> schlechtere Energieauflösung als für em. Kalorimeter. Typisch: a ≈ (50 … 100)%, b ≈ (4 … 10)%. Die Größe des Schauers ist definiert durch die Absorptionslänge la. Diese ist immer größer als X0 -> Hadronkalorimeter sind immer dicker als em. Kalorimeter. Typische Dicken: 10 la und mehr. Verlust durch Kernanregung, “Leakage” von Zerfallsmüonen und Neutrinos aus dem Kalorimeter -> sichtbare Energie 20 bis 30% kleiner als für Elektronen -> Nichtlinearität! Kompensation kann man jedoch durch geschickte Anordnung der Samples und andere Methoden erreichen.

44. 1 dE/dx ~ ___ ln (b2g2) b2 Teilchenidentifikation Unterscheidung von p/K, K/p, e/p, g/p0, ... Kalorimeter, Myondetektoren, Vertexdetektoren … Methoden hängen sehr vom interessanten Energiebereich ab. Möglich sind die gleichzeitige Messung von dE/dx und p, Flugzeit, die Verwendung von Cerenkovlicht sowie Übergangsstrahlung. dE/dx-Messung Gleichzeitige Messung von p und dE/dx definiert die Masse und somit die Identität eines Teilchens. p = mbg

45. } p/K - Trennung erfordert dE/dx-Auflösung von < 5%! dE/dx-Messung e m p K p Mittlerer Energieverlust für e, m, p, K, p in 80/20 Ar/CH4

46. dE/dx im DELPHI-Detektor p p K Monte-Carlo e Daten

47. L 1 1 Lc Dt = __ ( __ - __ ) ≈ ____ (m12 - m22) c 2p2 b1 b2 Flugzeitzähler (Time of Flight Counter) Dt für Weglänge von L = 1m Szintillator mit st = 300 ps /K-Trennung bis 1 GeV Limitiert auf Teilchen mit Impulsen kleiner als wenige GeV.

48. Wellenfront ct/n q q bct 1 cos q = ____ bn Cerenkovzähler Beim Durchgang eines geladenen Teilchens mit Geschwindigkeit v durch ein Medium mit Brechnungsindex n werden angeregte Atome in der Nähe des Teilchens polarisiert. Ist v > c/n, erscheint ein Teil der Anregungsenergie als kohärente Strahlung, die in einem typischen Winkel q zur Bewegungsrichtung auftritt. Eine Bestimmung von q liefert ein direktes Maß für die Geschwindigkeit. Im Vergleich zu einem typischen Szintillator (104/cm) werden wenige Photonen emittiert. Deshalb sind Cerenkovzähler mehrere m lang. v > c/n bn > 1

49. Cerenkovzähler Cerenkovzähler werden in 2 Betriebsarten verwendet: 1)Schwellenmodus (“Threshold mode”) Zum Nachweis von Teilchen, deren Geschwindigkeit einen gewissen Wert überschreitet. q wird nicht explizit gemessen. Annahme: 2 Teilchen mit b1 und b2 sind bei einem gegebenen Impuls p zu unterscheiden. In einem geeigneten Medium, in dem b1n > 1 ≥ b2n ist, erzeugt Teilchen 1 Cerenkovstrahlung, Teilchen 2 jedoch nicht. g, bei dem das Teilchen Cerenkovlicht zu erzeugen beginnt: gSchwelle = E/mc2 Medium n-1 Photonen/cm gSchwelle ___________________________________________________________________________________________ He 3.5 . 10-5 0.03 120 CO2 4.1 . 10-4 0.4 35 Silikagel 0.025-0.075 24-66 4.6-2.7 Wasser 0.33 213 1.52 Glas 0.46-0.75 261-331 1.37-1.22 Teilchenunterscheidung funktioniert bis ca. 30 GeV/c.

50. Prisma Blende sphärischer Spiegel zu PM’s q Medium Cerenkovzähler 2)Differentieller Modus (Fokussiermodus) Hier wird der Winkel q durch ein Spiegelsystem gemessen. Wenn alle Teilchen in dieselbe Richtung fliegen, kann der Kegel des Cerenkovlichts auf eine Schlitzblende fokussiert werden und mit einem PM ausgelesen werden. Man kann den gewünschten Geschwindigkeitsbereich entweder durch Adjustierung der Blende auswählen oder den Brechungsindex durch Veränderung des Druckes oder der Zusammensetzung des Gases verändern.