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Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik.

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Präsentation zum Thema: "Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik."—  Präsentation transkript:

1 Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik

2 2 Gliederung 1.Grundlagen des COMPASS Experiments 2.Strahlführung 3.Polarisiertes Target 4.Dilutionkryostat 5.Detektion und Identifikation von Teilchen

3 3 COMPASS-Experiment COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy Festkörper Target-Experiment mit zweistufigem Spektrometer Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

4 4 COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

5 5 Myonenprogramm Nukleonen besitzen Substruktur Quarks – beschreiben viele Nukleoneneigenschaften korrekt Spin der Nukleonen jedoch nicht erklärbar Nur 30% Beitrag des Quark-Spins zum Nukleonenspin Gluonen und Bahndrehimpulse liefern auch einen Beitrag Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

6 6 Myonenprogramm Ziel des Myonenprogramms: Messung des Gluonenspin-Beitrags zum Nukleonenspin Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

7 7 Myonenprogramm Untersuchen der Substruktur mittels tiefinelastischer Leptonen-Nukleon- Streuung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

8 8 Myonenprogramm Differentieller Wirkungsquerschnitt (experimentell): Differentieller Wirkungsquerschnitt (theoretisch): Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

9 9 Myonenprogramm Leptonischer Tensor: Mit QED berechenbar Hadronischer Tensor: Parametrisierung durch F 1, F 2, g 1, g 2 Beide Tensoren sind Summen aus spinunabhängigem, symmetrischem und spinabhängigem, unsymmetrischem Teil Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

10 10 Myonenprogramm Spinabhängige Effekte nur, wenn sowohl Strahl als auch Target polarisiert F 1, F 2 wurden genau vermessen g 1 an longitudinal polarisiertem Target messbar Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

11 11 Myonenprogramm Bestimmung der Gluonenplarisation aus Analyse des Skalenverhaltens der Strukturfunktion g 1 Betrachte Prozesse, in die die Gluonenpolarisation direkt eingeht Photon-Gluon-Fusion Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

12 12 Myonenprogramm Identifikation von PGF-Ereignissen: Open-Charm-Produktion Nachweis von Hadronen mit hohem Impuls Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

13 13 Myonenprogramm Messung der Doppel-Spin-Asymmetrie: Nutze: Gluonenpolarisation geht direkt in die Asymmetrie ein Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

14 14 Myonenprogramm 2002 – 2004: 6 LiD-Target, Myonenstrahl 2006: Wiederaufnahme mit longitudinaler Polarisation und neuem 6 LiD-Target 2007: NH 3 -Target Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

15 15 Hadronenprogramm Innere Dynamik von Pionen und Kaonen Glueball-Zustände QCD-Vorhersagen verifizieren Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

16 16 Strahlführung Beschleunigung von Protonen im SPS auf bis zu 400 GeV Produktionstarget: Beryllium Pionen und Kaonen (9,9%) Zerfall nach schwacher Wechselwirkung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

17 17 Strahlführung Erhaltungssätze: Leptonenzahl: Das Neutralteilchen ist ein Myon-Neutrino Impuls: Myon und –Neutrino haben gleich große, entgegengesetzt gerichtete Impulse Neutrino: Spin entgegengesetz zum Impuls Pion hat Spin 0 Myon ist polarisiert (Spin entgegen dem Impuls gerichtet) Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

18 18 Strahlführung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion Hadronenabsorber Durchmesser Myonenstrahl: 8 x 8 mm 2

19 19 Strahlführung Impuls: 160 GeV/c Polarisation: 80% Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

20 20 Polarisiertes Target Messung von Asymmetrien Identische Messung an zwei entgegengesetzten Polarisationen Zwei (aktuell drei) hintereinander stehende, entgegengesetzt polarisierte Zellen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

21 21 Target aus dem COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

22 22 Polarisierbarkeit Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 6 LiD: theoretisch polarisierbarer Nukleonenanteil ca. 50% (tatsächlich erreichbar: 35%) Dilutionfaktor f Polarisation 50% NH 3 : f = 0,15; P > 80%

23 23 Polarisationsrichtungen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion Zwei Kombinationen: Longitudinale Polarisation Messung der Gluonenpolarisation im Nukleon Transversale Polarisation Transversity-Verteilung

24 24 Dynamische Nukleonenploarisation Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion Erzeugung der Polarisation mittels Dynamic Nuclear Polarisation Kühlung des Targets auf ca. 0,4K Elektronenpolarisation mittlels Mikrowellen auf Kerne übertragen Einfrieren der Polarisation bei T < 100mK Nur mit Dilutionkryostat möglich Frozen Spin Mode

25 25 Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

26 26 Dilutionkryostat Helium allgemein Erzeugung tiefer Temperaturen Prinzipieller Aufbau Dilutionkryostat am COMPASS Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

27 27 Helium allgemein Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion In der Natur nur zwei stabile Isotope: 4 He (Erdgasvorkommen) Bosonen (I=0) 3 He (Kernreaktionen) Fermionen (I=1/2)

28 28 Spezifische Wärme Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Bezeichnung: Helium-I/Helium-II

29 29 3 He/ 4 He - Mischungen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

30 30 3 He/ 4 He - Mischungen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Kritischer Punkt: c=0,67 T < 0,87K: Phasenseparation 3 He-reich (für T 0K: nahezu reines 3 He) 4 He-reich

31 31 Phasendiagramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

32 32 Endliche Lösbarkeit Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Selbst bei T 0K: gewisse Löslichkeit von 3 He in 4 He Grund: Bindungskräfte zwischen 3 He- Atomen kleiner als zwischen 3 He und 4 He Nullpunktsenergie Folge: Kühlung gemäß Enthalpiedifferenz möglich

33 33 Osmotischer Druck Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

34 34 Erzeugung tiefer Temperaturen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Gasexpansion Adiabatische Entmagnetisierung von magnetischen Momenten Kryoflüssigkeiten

35 35 Einfache andere Heliumkryostate Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Badkryostat Verdampfungskryostat

36 36 Badkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

37 37 Verdampfungskryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

38 38 Kühlmechanismus Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Kühlmechanismus findet in Mischkammer statt Übertritt von 3 He-Atomen aus der leichten in die schwere Phase Δ ΔQ = TΔS=-84T 2 (J/K 2 ) Nachliefern & Entfernen von 3 He gewährleistet Kontinuität

39 39 Prinzipieller Aufbau Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Kreislauf in Vakuumbehälter, der sich in 4 He-Bad befindet Mischkammer, Verdampfer, Gegenstromwärmetauscher Zirkulation durch Pumpen am Verdampfer

40 40 3 He/ 4 He-Kreislauf Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

41 41 Performance Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Eintritt in den Kreislauf Vorkühlung Kondensation Passieren des Wärmetauschers

42 42 Performance Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Eintritt in 3 He- reiche Phase Diffusion von 3 He über Phasengrenze

43 43 Kühlleistung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Kühlleistung allgemein: Umformen und Einsetzen:

44 44 Kühlleistung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

45 45 Dilutionkryostat am COMPASS Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

46 46 Dilutionkryostat - Daten Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Mischkammer aus Mylar (Polyester-Folie) Saugleistung des 3 He Pumpsystems: m 3 /h Benötigte Füllmenge 3 He: 49 mol 442 mol 4 He für Mischung

47 47 Polarisation mit Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Typischer 3 He-Fluss: 30 – 100 mmol/s Kühlung: T = 300 mK Beginn DNP Nach Erreichen der Polarisation: Ausschalten der Mikrowellen Kühlung auf 55 mK Frozen Spin Mode

48 48 Polarisation mit Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

49 49 Kühlleistung Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Kühlleistung: Wärmeleck (Wärmestrahlung & -leitung): Hauptquelle: Wärmeleitung der Cavity: 2,3 mW

50 50 Polarisationsdifferenzen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Verschiedene Kühlleistungen in upstream und downstream 70% (30%) 3 He-Zirkulation in upstream (downstream) Unterschiedliche maximale Polaraisation (2 – 3%)

51 51 Dilutionkryostat am COMPASS Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion

52 52 Detektion u. Identifikation von Teilchen Spektrometermagneten SM1 & SM2 Spurrekonstruktion Trackingdetektoren Si-Magnetstreifendetektoren Detektoren aus szintillierenden Fasern Gasdetektoren Myonenfilter Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

53 53 Detektion u. Identifikation von Teilchen Kalorimeter Hadronische Kalorimeter (HCAL) Elektromagnetische Kalorimeter (ECAL) Teilchenidentifikation: Ring Imaging CHerenkov Detektor (RICH) Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

54 54 Detektion u. Identifikation von Teilchen Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

55 55 Gluonenpolarisation Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

56 Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik


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