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Detektoren Guido Dirkes Institut für Experimentelle Kernphysik.

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Präsentation zum Thema: "Detektoren Guido Dirkes Institut für Experimentelle Kernphysik."—  Präsentation transkript:

1 Detektoren Guido Dirkes Institut für Experimentelle Kernphysik

2 Überblick Wechselwirkung --- Teilchennachweis Bestimmung der Teilcheneigenschaften – Teilchenphysik HEP Detektoren – Spurdetektoren – Energiebestimmung – Teilchenidentifizierung – Multipurpose (Vielzweck-) Detektoren – Infrastruktur 2

3 NACHWEIS Wechselwirkungen Eigenschaften Teilchen können nicht direkt gesehen/gemessen werden. Nur das Resultat einer Wechselwirkung mit dem Detektor(material) kann beobachtet werden! Schlussendlich wird alles konvertiert in Optische Bilder Strom oder Spannungssignale 3

4 Teilchen – Teilchen Interaktionen Streuung Annihilation und die Produktion neuer Teilchen All Ereignisse entstehen durch – Colliding Beam Experiments – Fixed Target Experiments 4

5 Wechselwirkungen Photonen –C–Compton Streuung –P–Photo Effekt –P–Paarbildung Geladene Teilchen –S–Streuung (mit Atomen, Elektronen, etc. ) unerwünscht –I–Ionisation (Herausschlagen eines Elektrons) Bethe-Bloch-Formel –A–Anregung/Excitation (Elektron in höheres Niveau Rückfall Lichtabstrahlung) (z.B. Szintillatorlicht) –P–Photonabstrahlung Bremsstrahlung (beschleunigte Ladung strahlt Photonen ab) Übergangsstrahlung (transition radiation) Cherenkov Licht (Überlichtgeschwindigkeit im Medium) Hadronische Wechselwirkung –S–Starke Kernkraft – Inelastische nukleare Wechselwirkung Geladene und ungeladene Hadronen Resultat: Kernfragmente (real gemessen werden die geladenen Fragmente) Neutrinos –Keine Wechselwirkung in Teilchendetektoren an Beschleunigerdetektoren –S–Signatur: Fehlende Energie (Missing Energy) p e-e- Ionisation p e-e- p p Anregung/Excitation/Szintillation 5

6 Ionisation: Bethe-Bloch-Formel Colombwechselwirkung Energieverlust der Teilchen pro Wegstrecke Ionisation (Ionen, Elektron-Lochpaare können nachgewiesen werden) Minimal ionisierendes Teilchen MIP 6 z … Ladung des einfallenden Teilchens Z, A … Ordnungszahl und Massenzahl des Targets ρ … Targetdichte, N A … Avogadrozahl I … mittleres Ionisationspotential (Materialkonstante des Targets) W max... max. Energieübertrag in einer Einzelkollision δ … Dichtekorrektur (Polarisationseffekt, δ 2.lnγ + K ) C … Schalenkorrektur (wichtig für kleine Projektilgeschwindigkeiten) Geschwindigkeit/c

7 Teilchen Eigenschaften Welche Eigenschaften hat ein Teilchen? – Energie – Impuls – Ladung – Masse – Lebenszeit (life time) – Spin – Zerfallsmoden Welche sind direkt messbar? 7

8 Teilchen Eigenschaften Welche Eigenschaften können hergeleitet werden? Masse: Spin: etwas abstrakter aus der Winkelverteilung 8

9 Messen der Teilcheneigenschaften Ladung – Richtung Lifetime – Messe Strecke LBNL Image Library Entdeckung des Positron 1932 Carl Anderson, Noble Prize 1936 Magnetfeld 9

10 Messen der Teilcheneigenschaften Impuls Geschwindigkeit - Flugzeitmessung: time of flight TOF - RICH (siehe später) Energie - Kalorimeter 10

11 Das Prinzip am Beispiel eines TOP Quarks Realer Detektor CDF in Chicago Ereignis Theorie Statistik 11

12 Higgs Boson, ein Beispiel µ µ µ µ ATLAS µ µµ µ pp H ZZ 4µ Theorie Detektor CMS in Genf,CERN Ereignis, CMS Ereignis, ATLAS 12

13 Schnitt durch den CMS Detektor Teilchen Wechselwirkung und Rekonstruktion Jedem Teilchen SEINEN Detektor 13

14 DETEKTORARTEN Spurdetektoren (Spur: Impuls, Ladung, Zerfall) Kalorimeter (Energie) ECAL: Elektromagnetisches Kalorimeter HCAL: Hadron Kalorimeter Teilchenidentifikation Myonkammer (Spur, Myonnachweis) Vielzweckdetektor (Multipurposedetektor: alles zusammen) 14

15 HISTORISCHE SPURDETEKTOREN Nebel-, (Funken-), Blasenkammer 15

16 UK Science Museum Historischer Detektor: Nebelkammer Nebelkammer (1911 by Charles T. R. Wilson, Noble Prize 1927) – Kammer mit saturiertem Wasserdampf – Geladene Teilchen hinterlassen Ionen Wasser kondensiert an den Ionen – Sichtbare Spur kleiner Wassertropfen – Photographie LBNL Image Library Entdeckung des Positrons (1932 Carl Anderson, Noble Prize 1936) Stahlplatte Positron Magnetfeld Anderson und seine Nebelkammer 16

17 Historischer Detektor: Blasenkammer Siehe Nebelkammer: Wasser im Siedeverzug (anstatt Wasserdampf) Geladenes Teilchen erzeugt Ionen Kondensation Spur Photographie CERN Entdeckung des Neutralen Stroms (1973 von der Gargamelle Kollaboration) Gargamelle Blasenkammer 17

18 Die Soziale Komponente Das Zeitalter der Scanning Girls CERN Scanning table (1972) Projektor Spiegel 18

19 Detektoren, geschichtlich Nebelkammern dominierten bis in die 50er – Aktuell sehr populär in Ausstellungen Blasenkammern hatten ihren Höhepunkt – Letzte große Blasenkammer: Big European Bubble Chamber; zu besichtigen im CERN Mikrocosmos Draht- und Driftkammer dominierten seit den 80er – Noch heute im Einsatz Seit den frühen 90er sind Halbleiterdetektoren im Einsatz – Zu Beginn: kleine Vertexdetektoren – Heute ~200 m 2 Siliziumspurendetektor in CMS 19

20 SPURENDETEKTOREN HEUTE ELEKTRONISCHE DATENNAME Historische Detektoren Nebelkammer (Cloud Chamber) Blasenkammer (Bubble Chamber) Funkenkammer Gasdetektoren Festkörper- (Halbleiter-) Detektoren (Szintillator-Spurendetektor) Detektieren nur geladene Teilchen 20

21 Funktion von Spurendetektoren Vermessung der Teilchenspur Ermittle – Ladung – Impuls in Verbindung mit einem Magnetfeld Spuren werden aus Raumpunkten rekonstruiert 21

22 Rekonstruktion der Spuren CMS Spurdetektor aktuell im Test 22

23 SPURENDETEKTOREN GAS Ionisationszähler (Geiger-Müller-Zähler) Proportionalkammer Vieldrahtproportionalkammer Driftkammer Zeitprojektionskammer Mikro-Streifen-Gasdetektoren Resistive Plate Chambers 23

24 t = 0 Ionisationszähler + HV Signal Kathode Anodendraht Gas gefüllte Röhre t = t 1 Lawinenbildung nahe der Anode Signal proportional zur deponierten Energie F.Sauli, CERN Signalentwicklung 24

25 Entwicklung der Gasdetektoren Geiger-Zähler: Binäre Antwort Anzahl Teilchen Jedes Teilchen gleiche Ladung Proportionalzähler: –P–Primärionisation Sekundärionisation (Lawine) Vieldrahtproportionalkammer –V–Viele Proportionaldrähte in einer Kammer Anodendrähte wechseln mit Kathoden ab –O–Ortsauflösung (Spurenerkennung) –N–Nobelpreis: G. Charpak,

26 MWPC ITC (ALEPH) Inner Tracking Chamber 26

27 Driftkammer Standard Drahtkammern sind begrenzt in der Auflösung durch den minimalen Drahtabstand Driftkammern weiten den Abstand und berücksichtigen die Driftzeit – Natürlich muss die Zeit des Teilchendurchgangs bekannt sein 27

28 Kloe Driftkammer in Frascati 28

29 Zeitprojektionskammer (TPC) Gasgefüllter Zylinder Anodendrähte Draht- kammer misst r, Draht- kammer misst r, E B z = v drift t Maximierung der Driftzeit Nicht für große Raten geeignet Perfekt für (1) Elektron-Positron Kolider und (2) Schwerionen Kolider 29

30 Systeme werden größer und größer Strahlenhärte is wichtig Nutzung industrieller Methoden zur Herstellung ALICE TPC: courtesy of CERN 30

31 Gasdetektoren ohne Drähte 50 m 140 m 10 m 100 m MSGC: Micromegas: Cartesian Compass, LHCb Small angle Hexaboard, pads MICE MixedTotem Strukturierte Ebenen statt Drähte Dünne Kammern; HOCHspannung Spezielle Feldkonfigurationen zur Gasverstärkung Mikrostreifen- Gaskammer resistive electrode gas gap HVHV GN D readout strips 2 mm Resitive Platechamber 31

32 ATLAS Myon Endkappe. Myonen-detektoren Myonen passieren sowohl die Kalorimeter, als auch das Magnetjoch alles außerhalb sind Myonen (abgesehen von Neutrinos) Gasdetektoren messen nun die Myonenspur im Magnetfeld CMS Myonzylinder im Magnetjoch. Myonendetektoren ATLAS 1200 Myonen-Kammern mit 5500 m 2 32

33 HALBLEITERDETEKTOREN - SILIZIUM Streifenzähler Pixel (Silizium-Drift-Sensor; DepFET, CCD, CMOS) 33

34 Halbleiterdetektoren (Silizium) Funktionsweise: Siehe Gasdetektoren ;-) –I–Ionisation im Festkörper, statt im Gas –K–Keine Ladungsverstärkung! Ca freie Ladungsträger gegenüber 10 8 erzeugte Ladungsträger (bei Zimmertemperatur) Ladungsverarmung nötig –S–Segmentierung / Strukturierung von Dioden, welche in Sperrrichtung betrieben werden! Ladungsverarmte Dioden 34

35 Funktionsweise Verarmungs- spannung E-Feld Diode p n 35

36 Siliziumstreifendetektor von oben und Ihre Eigenschaften Sehr kleine Streifenabstände möglich µm Sehr gute Auflösung ~3-5µm Sehr schnell 36

37 Identifikation eines b-Quark Ereignisses ~3 mm = ~1ps = b Braucht man so eine hohe Auflösung? 37

38 Increase in precision 0 1cm x =Beam crossing point 38

39 Mean Lifetime of tau =290 x sec !! --> c = 87 m !? 39

40 LEP LEP nach 1997 Fermilab in Chicago (nimmt aktuell Daten) 40

41 Blütenblätter & Stäbe & Leitern & Halbschalen: Wer baut denn so was? 41 CMS petal CMS rod ALICE ladder CMS halfshell LHCb TT ladder Bis zu 14 Sensoren pro Leiter(4 Sensoren pro Hybrid)

42 Der CMS Spurendetektor 206 m² Fläche Siliziumsensoren 10Mio Streifen Elektronische Kanäle Auslesechips Bonds Analog optische Links km optische Fibern 42

43 ATLAS Endkappe 43

44 ATLAS Barrel 3 44

45 Silizium-Pixel-Sensoren Funktionsprinzip: siehe Siliziumstreifensensoren Segmentierung: Pixel(- dioden ) statt Streifen(- dioden ) – Elektronik aufgesetzt, um alle Pixel zu erreichen Sensor Draht-Ultraschall- Verschweißung bonding Streifen: Nur eine Koordinate, Pixel sind 2D Detektoren bump bonding Kanäle: ~


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