Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren Rüdiger Reuter

Inhalt Motivation Entstehung der Cherenkov-Strahlung Radiatormaterialien Detektorsysteme Delphi BaBar

Motivation Teilchenidentifikation geladener Teilchen in Hochenergiephysik Experimenten Zusammensetzung eines Hadronenstrahls in Zählratenexperimenten Vermessung von Vierer-Vektoren Bestimmung des Impulses: Spurrekonstruktion eines geladenen Teilchens im Magnetfeld (z.B.Driftkammer) Bestimmung der Energie: Energiebestimmung aus Geschwindigkeit Ausnutzung des Cherenkov-Effekts =>v =>m => Identität

Pawel Alexejewitsch Tscherenkow Russischer Physiker * 28.Juli 1904 † 6.Januar 1990 1958 Nobelpreis für die Entdeckung und Interpretation des Cherenkov-Effekts

Entstehung von Cherenkov-Strahlung - Cherenkov-Strahlung entsteht, wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Medium mit Brechungsindex n schneller bewegt, als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium.

Cherenkov-Kegel Durch Messung des Emissionswinkels ist Rückschluss auf die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens möglich!

Beispiel für Cherenkov-Strahlung

Emittierte Photonen Für einfach geladene Teilchen im optischen bzw. nahen UV Bereich 400nm<λ<700nm (da Nachweis mit photosensitiven Detektoren): =>typischerweise 1 bis 100 Photonen pro cm

Emittierte Photonen Der durch den Cherenkov-Effekt hervorgerufene Energieverlust ist klein gegen die Gesamtenergie!

Radiatoren Material n β-Schwelle Photonen/cm Luft* 1,00029 0,9997 0,3 Pentan* 1,0017 0,9983 2 Aerogel 1,025-1,075 0,93-0,98 24-66 Wasser 1,33 0,75 213 Bleiglas 1,67 0,6 314 Quarz 1,54 0,65 283 C5F12* 1,0018 0,9982 C6F14 1,28 0,781 190 * Bei Normaldruck

Radiatoren

Detektorsysteme Ein Cherenkovdetektor besteht aus: Radiator Photosensitiven Detektor zum Nachweiß der Cherenkov-Photonen Es gibt u.a. folgende Systeme: Schwellen-Detektoren Differentielle Detektoren Ring-Image-Cherenkov-Detektoren (RICH) Beispiele: Delphi, BaBar

Schwellendetektoren Erlauben Aussage über v größer oder kleiner als c/n durch Ausnutzen der Cherenkov-Schwelle Hintereinanderschaltung mehrerer unterschiedlicher Radiatoren ermöglicht Teilchenunterscheidung Nur für festen Impuls! Keine Winkelmessung möglich!

Differentielle Detektoren Zielsetzung: Zählratenmessung von Hyperonen(Σ,Ξ) Funktionsprinzip: Blende deckt Winkelbereich ab Gasdruck ändert n (linear) =>Winkeländerung Zerfallslänge(20GeV) 57cm => kompakter Detektor Masse Σ :1197 MeV/c^2 Masse Ξ :1321 MeV/c^2

Differentielle Detektoren Länge: 48cm Θ=120mrad Δβ=5e-5 Korrekturlinsen: Δβ=2e-4 -> Δβ=5e-5 - Keine Gleichzeitige Messung für unterschiedliche Impulse und Winkel!

Differentielle Detektoren P=20GeV

RICH Detektoren Abdeckung fast des gesamten Raumwinkels möglich Differentielle oder Schwellendetektoren lassen sich nicht für Exp. Einsetzen, wo eine hohe Raumwinkelabdeckung erforderlich ist z.B. Collider =>RICH Abdeckung fast des gesamten Raumwinkels möglich Messung des Cherenkov-Winkels Großer Impulsbereich kann abgedeckt werden

RICH Detektoren

Delphi Detektor am CERN Von 1989 bis 2000 am Cern Untersuchung der schwachen Wechselwirkung Symmetrischer Collider

Delphi Detektor am CERN Barrel RICH 3,5 Meter lang Deckt Winkel von 40° bis 140° ab Außendurchmesser: 385cm Innendurchmesser: 260cm =>Dicke: 125cm Identifizierung von geladenen Hadronen (π,K,p) über einen großen Impulsbereich

Barrel RICH

Barrel RICH

Rekonstruktion Λ->Kπ Die Messwerte des Cherenkov-Detektors helfen aber bei der Rekonstruktion eines Λ Leichtere Identifizierung der Teilchen Reduktion des Untergrunds um Faktor 2 Methode der invarianten Masse

BaBar Detektor am SLAC Läuft seit 1999 am Slac Elektronen 9GeV kollidieren mit 3,1GeV Positronen (asymmetrisch)

Länge: 5m Innendurchmesser: 83,6cm Außendurchmesser: 85,3cm =>Dicke: 1,7cm 11.000 PMTs Standoff-Box: 1,17m Winkel: 51,4°-154,5°

DIRC 11.000 PMT PMT außerhalb des Magnetfelds 144 Quarzstäbe, 5m Lang, 1,7cm dick 11.000 PMT PMT außerhalb des Magnetfelds

DIRC

DIRC

Zusammenfassung Cherenkov-Effekt liefert: Detektortypen: Schwellendetektoren v > c/n Differentielle Detektoren Teilchenidentifizierung für Zahlraten RICH Detektoren Geschwindigkeitsbestimmung => Identität Messung über vollen Raumwinkel

Zusammenfassung RICH Aus detektiertem Ring kann v bestimmt werden Teilchenunterscheidung in großen Impulsbereichen RICH Teilchenidentifizierung reduziert den Untergrund

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit