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

Gliederung Grundlagen des COMPASS Experiments Strahlführung Polarisiertes Target Dilutionkryostat Detektion und Identifikation von Teilchen

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

COMPASS-Experiment Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

Myonenprogramm Nukleonen besitzen Substruktur Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 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

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

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

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

Myonenprogramm Leptonischer Tensor: Mit QED berechenbar Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion Leptonischer Tensor: Mit QED berechenbar Hadronischer Tensor: Parametrisierung durch F1, F2, g1, g2 Beide Tensoren sind Summen aus spinunabhängigem, symmetrischem und spinabhängigem, unsymmetrischem Teil

Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion Spinabhängige Effekte nur, wenn sowohl Strahl als auch Target polarisiert F1, F2 wurden genau vermessen g1 an longitudinal polarisiertem Target messbar

Myonenprogramm Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion Bestimmung der Gluonenplarisation aus Analyse des Skalenverhaltens der Strukturfunktion g1 Betrachte Prozesse, in die die Gluonenpolarisation direkt eingeht Photon-Gluon-Fusion

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

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

Myonenprogramm 2002 – 2004: 6LiD-Target, Myonenstrahl Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 2002 – 2004: 6LiD-Target, Myonenstrahl 2006: Wiederaufnahme mit longitudinaler Polarisation und neuem 6LiD-Target 2007: NH3-Target

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

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

Strahlführung Erhaltungssätze: Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 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) 17 17

Strahlführung Hadronenabsorber Durchmesser Myonenstrahl: 8 x 8 mm2 Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion Hadronenabsorber Durchmesser Myonenstrahl: 8 x 8 mm2 18 18

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

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

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

Polarisierbarkeit Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion 6LiD: theoretisch polarisierbarer Nukleonenanteil ca. 50% (tatsächlich erreichbar: 35%) Dilutionfaktor f Polarisation 50% NH3: f = 0,15; P > 80%

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

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

Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kühlmechanismus Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Kühlmechanismus findet in Mischkammer statt Übertritt von 3He-Atomen aus der „leichten“ in die „schwere“ Phase Δ ΔQ = TΔS=-84T2 (J/K2) Nachliefern & Entfernen von 3He gewährleistet Kontinuität

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

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

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

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

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

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

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

Dilutionkryostat - Daten Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Mischkammer aus Mylar (Polyester-Folie) Saugleistung des 3He Pumpsystems: 13500 m3/h Benötigte Füllmenge 3He: 49 mol 442 mol 4He für Mischung

Polarisation mit Dilutionkryostat Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Theorie Kühlung Aufbau … am COMPASS Detektion Typischer 3He-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

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

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

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

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

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

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

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

Gluonenpolarisation Grundlagen Strahlführung Pol. Target Dilutionkryostat Detektion

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