1 Fachbereich Physik Beschleuniger und Detektoren Johannes P. Wessels Institut f. Kernphysik [email protected].

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Fachbereich PhysikBeschleuniger und Detektoren

Johannes P. WesselsInstitut f. [email protected]

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Fachbereich PhysikGeschichte des Universums

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Fachbereich PhysikPhysik - Suche nach Gemeinsamkeiten

Das Komplexe

Das Kleine Das Große

K.H. Meier

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Fachbereich PhysikAlle Teilchen des Standardmodells

K.H. Meier

wirklich alle?

wichtige Symmetrie:zu jedem Teilchen gibt esAntiteilchen

stabil

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Fachbereich PhysikDie 4 Kräfte - was die Welt im Innersten zusammenhält

fallende Äpfel,PlanetenbahnenStärke: 10-39

Reichweite: ∞Graviton

Fernsehen, Magnetechemische BindungSärke: 1/137Reichweite: ∞Photon

Kernstabilität,QuarkeinschlussStärke: 1Reichweite: 10-15 mGluon

Kernstabilität,-Zerfall, NeutrinosStärke: 10-5

Reichweite: 10-18 mW,Z-Bosonen

Unsere Welt

Die Welt der Kerne

Gravitation

Elektromagnetismus

starkeKraft schwache

Kraft

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Fachbereich PhysikAnsichten bei 10-2 m

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mit “normalem” Licht nicht sichtbar

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mit speziellen “Lichtquellen” kann man Moleküle sichtbar machen

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Atome, die im wesentlichen “leer” sind

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im Inneren bestehen die Atome aus den Atomkernen, die beinahe die gesamte Masse in Form von Neutronen und Protonen tragen

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Neutronen und Protonen bestehen ihrerseits aus Quarks die von Gluonen zusammengehalten werden.Quarks sind wahrscheinlich punktförmig und NIE allein.

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Fachbereich PhysikStark gebundene Materie

Alle stark gebundenen Objekte sind nach außen farbneutral.

Sind also entweder Baryonenaus 3 Quarks

oder

Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark.

u u

d

Confinement: Quarks kommen in der Natur nicht frei vor.

u d

Pion +

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Fachbereich Physik

jpw, Physikertagung 10.9.09

Was heißt schon Sehen?

http://www.sciencecartoonsplus.com/contact.htm

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Fachbereich Physik

Hochschultag 2008

Sehen

Sehen mit denAugen überLichtstreuung

“Sehen” kleinerer Strukturen über Teilchenstreuung

= 400-700 nm

= h/p

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Fachbereich PhysikBeschleuniger - das Prinzip

Ladung wird im elektrischen Feld beschleuingt: E = q•U

Für den LHC würde man 2 mal 7000 Milliarden Batterien benötigen

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Fachbereich Physik

Der einfachste Linearbeschleuniger

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Fachbereich PhysikVan de Graaf Beschleuniger

Hahn-Meitner-Institut, Berlin

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Fachbereich PhysikTandem Van de Graaf Beschleuniger

relativ-kritisch.netmpi-hd.mpg.de

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Fachbereich PhysikKaskadenschaltung

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Fachbereich PhysikCockcroft Waltonhttp://www.isis.rl.ac.uk/accelerator

1928: Tunneleffekt

1932: Erste Kernre-aktion

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Fachbereich PhysikWiderøe – Driftröhrenbeschleuniger

http://de.wikipedia.org/wiki/Linearbeschleuniger

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Fachbereich PhysikZyklotron

Das erste Zyklotron(1929, Ernest Lawrence):Durchmesser: 9 cm,Protonenergie: 80 keVKosten: etwa 100 $

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Fachbereich Physik

1932 – 28cm bringen Protonen auf 1.2 MeV

Zyklotron

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Fachbereich PhysikZyklotronlabor (LBNL)

Lawrence, Seaborg, Oppenheimer

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Fachbereich Physik

TRIUMF Zyklotron (500 MeV p)

„Isochrones“ Sektor-Zyklotron

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Fachbereich PhysikZyklotrons von der Stange

Anwendungen: Erzeugung von Radioisotopen z.B. für PET

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Fachbereich PhysikSynchrotron Prinzip

Alice

Large Hadron Collider LHC am CERN

LHC 7000 GeV c – 10 km/h

Tevatron 980 GeV c – 495 km/hRHIC 250 GeV c – 7602 km/hGeiger / Marsden 4 MeV 5% c

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Fachbereich PhysikDer LHC und seine Magnete

Größter “Kühlschrank” der Welt(1.8 K, 700.000 l suprafluides Helium) 27 km mit 1296 Dipolmagneten (8T)100 m unter der Erde

Proton-Proton Kollisionen beiE = 7000 + 7000 GeV800 Millionen/Sekunde

Gold-Gold Kollisionen beiE= 5500 + 5500 GeV10 Tausend/Sekunde

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Fachbereich PhysikDer Large Hadron Collider (LHC)

http://natronics.github.io/science-hack-day-2014/lhc-map/

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Fachbereich PhysikE=mc2 at work

Pb Pb

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Fachbereich Physik


Blasenkammer

Erster Detektor, mit dem sich gezielt komplizierte Vorgänge sichtbar machen lassen.

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Fachbereich Physik


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Fachbereich PhysikPrinzip der Impulsmessung

Impuls = Masse * Geschwindigkeit

Ablenkung senkrecht zum Magnetfeld (Lorentzkraft)

Stärke der Krümmung > Impuls

Richtung der Krümmung > Ladung

Rückführung der Impulsmessung

auf eine Ortsmessung Häufig Detektoren im

Magnetfeld (nicht notwendig)

Teilchenidentifikation durchWechselwirkung von Strahlung mit Materie

Art der Strahlung g-Strahlung Elektronen Geladene

Teilchen Neutrale Teilchen

Wechselwirkung

- Niedrige Energien -

Foto-, Comptoneffekt, Paarbildung

Ionisation, Bremsstrahlung Ionisation Kernwechsel-

wirkung

Wirkung der Materie

Schwächung der Intensität

Verringerung der Energie


Absorption und Bremsung durch elas-tische Stöße

Wirkung der Materie

- Hohe Energien -

Paarbildung, Bremsstrahlung→ Elektromagnetische Schauer

Teilchenerzeugung (p-Mesonen)→ Hadronische Schauer

Ziel: Bestimmung des 4er-Impulses (E,p)

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Fachbereich Physik

Bethe-Bloch-Formel: Energieverlust geladener Teilchen in Materie

2 2 22 2max

2 2

21 1 ln2 2

em c TdE ZK z

dx A I g

p

g

2 2 1 2

2

4 0,307 MeVg cm: Masse des Elektrons

: klassischer Elektronenradius = 2,82 fm:Avogadro-Zahl

: Geschwindigkeit des Teilchens ( =1/ 1- ): Ladung des einfallenden Teilchens

Z: Ladungszahl

A e e

e

e

A

K N r m cmrN

z

g

g

max

2 2 2

max 2

des MediumsA: Massenzahl des MediumsT : Maximale in einem Stoß auf ein Elektron übertragbare Energie

2 :Masse des einfallenden Teilchens

1 2

: Mittlere Anregungsenergie des

e

e e

m cT m

m mm m

I

0,9Mediums, 16 eV: Dichte-Korrektur (transversale Ausdehnung des e.m. Feldes)

I Z

x in g/cm2

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Fachbereich PhysikGasdetektoren

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Fachbereich PhysikWeiterentwicklung von Gasdetektoren

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Fachbereich PhysikZeit-Projektionskammer (TPC)

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Fachbereich PhysikKombination von Energieverlustund Impulsmessung

Teilchenidentifikation durchWechselwirkung von Strahlung mit Materie

Art der Strahlung g-Strahlung Elektronen Geladene

Teilchen Neutrale Teilchen

Wechselwirkung

- Niedrige Energien -

Foto-, Comptoneffekt, Paarbildung

Ionisation, Bremsstrahlung Ionisation Kernwechsel-

wirkung

Wirkung der Materie

Schwächung der Intensität



Absorption und Bremsung durch elas-tische Stöße

Wirkung der Materie

- Hohe Energien -

Paarbildung, Bremsstrahlung→ Elektromagnetische Schauer

Teilchenerzeugung (p-Mesonen)→ Hadronische Schauer

Ziel: Bestimmung des 4er-Impulses (E,p)

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Fachbereich PhysikWechselwirkung von Photonen mit Materie (I)

Fotoeffekt Comptoneffekt Paarbildung

Absorption eines Photons Streuung eines Photons am quasi-freien Elektron

Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares in Gegenwart eines Stoßpartners

Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts von der Photonenenergie und von der Kernladungszahl Z

Dominiert bei niedrigen Energien Trägt bei allen Energien bei Dominiert bei hohen Energien

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Fachbereich PhysikWechselwirkung von Photonen mit Materie (II)

Wichtige Prozesse: Foto-Effekt Compton-Effekt Paarbildung

Mittlere freie Weglänge Paar fürPaarbildung:

(Ähnlichkeit zur Elektron-Bremsstrahlung)

Wird nur Paarbildung betrachtet:

Also: Paarbildungswahrscheinlichkeit p innerhalb einer Strahlungslänge ist p = 1-exp(-7/9) = 54%

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Fachbereich PhysikElektromagnetische Schauer

1 X0

2 X0

3 X0

4 X0

elektromagnetischer Schauer:

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Fachbereich PhysikElektromagnetischer Schauer in Nebelkammer

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Fachbereich PhysikKalorimeter

Homogene Kalorimeter Szintillierende Kristalle

NaJ(Tl) BGO

Cerenkov-Detektoren Bleiglas

Sandwich-Kalorimeter Abwechselnde Schichten

aus Absorbermaterial (→hohes Z, z.B. Blei) und Szintillatoren

Bleiglas-Modul

Absorber

Szintillator

Wellenlängen-schieber

Sandwich-Kalorimeter

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Fachbereich Physik

Beispiel eines komplexen Detektorsystemsin der Teilchenphysik: CMS

Typischer Aufbau (von innen nach außen):Spurdetektoren elektromagn. Kalorimeter hadronisches Kalorimeter m-Detektoren

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Fachbereich PhysikInvariante Masse

Euklidischer (3er) Vektor

Aus Energie und Impulsmessung lässt sich die Teilchenmasse rekonstruieren.

4er-Vektor

z.B. Ort und Impuls z.B. Energie-Impuls

Betrags-Quadrat Betrags-Quadrat

Invariant unter Transformation(Drehung und Translation)

Invariant bei Wechseldes Bezugssystems.

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Fachbereich Physik

Central Barrel2 p tracking & PIDDh ≈ ± 1

Muon Spectrometer 2.5 < h < 4

Detector:Size: 16 x16 x 26 mWeight: 10,000 t

Collaboration:> 1300 Members> 130 Institutes > 35 countries

Collider-Detektoren -

kennse einen kennse alle

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