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1 Fachbereich Physik Beschleuniger und Detektoren Johannes P. Wessels Institut f. Kernphysik

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Präsentation zum Thema: "1 Fachbereich Physik Beschleuniger und Detektoren Johannes P. Wessels Institut f. Kernphysik"—  Präsentation transkript:

1 1 Fachbereich Physik Beschleuniger und Detektoren Johannes P. Wessels Institut f. Kernphysik

2 2 Fachbereich Physik Geschichte des Universums

3 3 Fachbereich Physik Physik - Suche nach Gemeinsamkeiten Das Komplexe Das Kleine Das Große K.H. Meier

4 4 Fachbereich Physik Alle Teilchen des Standardmodells K.H. Meier wirklich alle? wichtige Symmetrie: zu jedem Teilchen gibt es Antiteilchen stabil

5 5 Fachbereich Physik Die 4 Kräfte - was die Welt im Innersten zusammenhält fallende Äpfel, Planetenbahnen Stärke: Reichweite: ∞ Graviton Fernsehen, Magnete chemische Bindung Särke: 1/137 Reichweite: ∞ Photon Kernstabilität, Quarkeinschluss Stärke: 1 Reichweite: m Gluon Kernstabilität,  -Zerfall, Neutrinos Stärke: Reichweite: m W,Z-Bosonen Unsere Welt Die Welt der Kerne Gravitation Elektromagnetismus starke Kraft schwache Kraft

6 6 Fachbereich Physik Ansichten bei m

7 7 Fachbereich Physik Ansichten bei m

8 8 Fachbereich Physik Ansichten bei m

9 9 Fachbereich Physik Ansichten bei m mit “normalem” Licht nicht sichtbar

10 10 Fachbereich Physik Ansichten bei m mit speziellen “Lichtquellen” kann man Moleküle sichtbar machen

11 11 Fachbereich Physik Ansichten bei m Atome, die im wesentlichen “leer” sind

12 12 Fachbereich Physik Ansichten bei m im Inneren bestehen die Atome aus den Atomkernen, die beinahe die gesamte Masse in Form von Neutronen und Protonen tragen

13 13 Fachbereich Physik Ansichten bei m Neutronen und Protonen bestehen ihrerseits aus Quarks die von Gluonen zusammengehalten werden. Quarks sind wahrscheinlich punktförmig und NIE allein.

14 14 Fachbereich Physik Stark gebundene Materie Alle stark gebundenen Objekte sind nach außen farbneutral. Sind also entweder Baryonen aus 3 Quarks oder Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark. u u d Confinement: Quarks kommen in der Natur nicht frei vor. ud Pion +

15 15 Fachbereich Physik jpw, Physikertagung Was heißt schon Sehen?

16 16 Fachbereich Physik Hochschultag 2008 Sehen Sehen mit den Augen über Lichtstreuung “Sehen” kleinerer Strukturen über Teilchenstreuung = nm = h/p

17 17 Fachbereich Physik Beschleuniger - das Prinzip Ladung wird im elektrischen Feld beschleuingt: E = qU Für den LHC würde man 2 mal 7000 Milliarden Batterien benötigen

18 18 Fachbereich Physik Der einfachste Linearbeschleuniger

19 19 Fachbereich Physik Van de Graaf Beschleuniger Hahn-Meitner-Institut, Berlin

20 20 Fachbereich Physik Tandem Van de Graaf Beschleuniger relativ-kritisch.net mpi-hd.mpg.de

21 21 Fachbereich Physik Kaskadenschaltung

22 22 Fachbereich Physik Cockcroft Walton 1928: Tunneleffekt 1932: Erste Kernre- aktion

23 23 Fachbereich Physik Widerøe – Driftröhrenbeschleuniger

24 24 Fachbereich Physik Zyklotron Das erste Zyklotron (1929, Ernest Lawrence): Durchmesser: 9 cm, Protonenergie: 80 keV Kosten: etwa 100 $

25 25 Fachbereich Physik 1932 – 28cm bringen Protonen auf 1.2 MeV Zyklotron

26 26 Fachbereich Physik Zyklotronlabor (LBNL) Lawrence, Seaborg, Oppenheimer

27 27 Fachbereich Physik TRIUMF Zyklotron (500 MeV p) „Isochrones“ Sektor-Zyklotron

28 28 Fachbereich Physik Zyklotrons von der Stange Anwendungen: Erzeugung von Radioisotopen z.B. für PET

29 29 Fachbereich Physik Synchrotron Prinzip

30 Alice Large Hadron Collider LHC am CERN LHC7000 GeVc – 10 km/h Tevatron980 GeVc – 495 km/h RHIC250 GeVc – 7602 km/h Geiger / Marsden4 MeV 5% c

31 31 Fachbereich Physik Der LHC und seine Magnete Größter “Kühlschrank” der Welt (1.8 K, l suprafluides Helium) 27 km mit 1296 Dipolmagneten (8T) 100 m unter der Erde Proton-Proton Kollisionen bei E = GeV 800 Millionen/Sekunde Gold-Gold Kollisionen bei E= GeV 10 Tausend/Sekunde

32 32 Fachbereich Physik Der Large Hadron Collider (LHC)

33 33 Fachbereich Physik E=mc 2 at work Pb

34 34 Fachbereich Physik jpw, Physikertagung Blasenkammer Erster Detektor, mit dem sich gezielt komplizierte Vorgänge sichtbar machen lassen.

35 35 Fachbereich Physik jpw, Physikertagung

36 36 Fachbereich Physik Prinzip 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)

37 Teilchenidentifikation durch Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Art der Strahlung  -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 (  -Mesonen) → Hadronische Schauer Ziel: Bestimmung des 4er-Impulses (E,p)

38 38 Fachbereich Physik Bethe-Bloch-Formel: Energieverlust geladener Teilchen in Materie x in g/cm 2

39 39 Fachbereich Physik Gasdetektoren

40 40 Fachbereich Physik Weiterentwicklung von Gasdetektoren

41 41 Fachbereich Physik Zeit-Projektionskammer (TPC)

42 42 Fachbereich Physik Kombination von Energieverlust und Impulsmessung

43 Teilchenidentifikation durch Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Art der Strahlung  -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 (  -Mesonen) → Hadronische Schauer Ziel: Bestimmung des 4er-Impulses (E,p)

44 44 Fachbereich Physik Wechselwirkung von Photonen mit Materie (I) FotoeffektComptoneffektPaarbildung Absorption eines PhotonsStreuung 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 EnergienTrägt bei allen Energien beiDominiert bei hohen Energien

45 45 Fachbereich Physik Wechselwirkung von Photonen mit Materie (II) Wichtige Prozesse:  Foto-Effekt  Compton-Effekt  Paarbildung Mittlere freie Weglänge Paar für Paarbildung: (Ähnlichkeit zur Elektron-Bremsstrahlung) Wird nur Paarbildung betrachtet: Also: Paarbildungswahrscheinlichkeit p innerhalb einer Strahlungslänge ist p = 1-exp(-7/9) = 54%

46 46 Fachbereich Physik Elektromagnetische Schauer 1 X 0 2 X 0 3 X 0 4 X 0 elektromagnetischer Schauer:

47 47 Fachbereich Physik Elektromagnetischer Schauer in Nebelkammer

48 48 Fachbereich Physik Kalorimeter 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

49 49 Fachbereich Physik Beispiel eines komplexen Detektorsystems in der Teilchenphysik: CMS Typischer Aufbau (von innen nach außen): Spurdetektoren  elektromagn. Kalorimeter  hadronisches Kalorimeter   -Detektoren

50 50 Fachbereich Physik Invariante Masse Euklidischer (3er) Vektor Aus Energie und Impulsmessung lässt sich die Teilchenmasse rekonstruieren. 4er-Vektor z.B. Ort und Impulsz.B. Energie-Impuls Betrags-Quadrat Invariant unter Transformation (Drehung und Translation) Invariant bei Wechsel des Bezugssystems.

51 51 Fachbereich Physik Central Barrel 2  tracking & PID  ≈ ± 1 Muon Spectrometer 2.5 <  < 4 Detector: Size: 16 x16 x 26 m Weight: 10,000 t Collaboration: > 1300 Members > 130 Institutes > 35 countries Collider-Detektoren - kennse einen kennse alle


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