Beschleuniger und Detektoren Johannes P. Wessels Institut f. Kernphysik j.wessels@uni-muenster.de

Geschichte des Universums 4x10E16 s age of universe, 2.7K = 0.23 meV

Physik - Suche nach Gemeinsamkeiten Das Komplexe Das Große Das Kleine 100 Billionen Synapsen 10^14 10^-18 m Attometer 10^21 sterne - 5x10^23 m riesige Komplexität nur 4 Kräfte K.H. Meier

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

Die 4 Kräfte - was die Welt im Innersten zusammenhält Unsere Welt fallende Äpfel, Planetenbahnen Stärke: 10-39 Reichweite: ∞ Graviton Fernsehen, Magnete chemische Bindung Särke: 1/137 Reichweite: ∞ Photon Gravitation Elektromagnetismus Kernstabilität, -Zerfall, Neutrinos Stärke: 10-5 Reichweite: 10-18 m W,Z-Bosonen Kernstabilität, Quarkeinschluss Stärke: 1 Reichweite: 10-15 m Gluon starke Kraft schwache Kraft Die Welt der Kerne

Ansichten bei 10-2 m

Ansichten bei 10-3 m

Ansichten bei 10-5 m

mit “normalem” Licht nicht sichtbar Ansichten bei 10-7 m mit “normalem” Licht nicht sichtbar

mit speziellen “Lichtquellen” kann man Moleküle sichtbar machen Ansichten bei 10-8 m mit speziellen “Lichtquellen” kann man Moleküle sichtbar machen

Atome, die im wesentlichen “leer” sind Ansichten bei 10-10 m Atome, die im wesentlichen “leer” sind

Ansichten bei 10-14 m im Inneren bestehen die Atome aus den Atomkernen, die beinahe die gesamte Masse in Form von Neutronen und Protonen tragen

Ansichten bei 10-15 m Neutronen und Protonen bestehen ihrerseits aus Quarks die von Gluonen zusammengehalten werden. Quarks sind wahrscheinlich punktförmig und NIE allein.

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. d u u u d Confinement: Quarks kommen in der Natur nicht frei vor. Pion +

Was heißt schon Sehen? jpw, Physikertagung 10.9.09

Sehen Sehen mit den Augen über Lichtstreuung “Sehen” kleinerer Strukturen über Teilchenstreuung  = 400-700 nm  = h/p Hochschultag 2008

Beschleuniger - das Prinzip Ladung wird im elektrischen Feld beschleuingt: E = q•U Für den LHC würde man 2 mal 7000 Milliarden Batterien benötigen

Der einfachste Linearbeschleuniger

Van de Graaf Beschleuniger Hahn-Meitner-Institut, Berlin

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

Kaskadenschaltung

Cockcroft Walton http://www.isis.rl.ac.uk/accelerator 1928: Tunneleffekt 1932: Erste Kernre- aktion

Widerøe – Driftröhrenbeschleuniger http://de.wikipedia.org/wiki/Linearbeschleuniger

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

1932 – 28cm bringen Protonen auf 1.2 MeV Zyklotron 1932 – 28cm bringen Protonen auf 1.2 MeV

Zyklotronlabor (LBNL) Lawrence, Seaborg, Oppenheimer

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

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

Synchrotron Prinzip

Large Hadron Collider LHC am CERN Alice LHC 7000 GeV c – 10 km/h Tevatron 980 GeV c – 495 km/h RHIC 250 GeV c – 7602 km/h Geiger / Marsden 4 MeV 5% c

Der LHC und seine Magnete Proton-Proton Kollisionen bei E = 7000 + 7000 GeV 800 Millionen/Sekunde Gold-Gold Kollisionen bei E= 5500 + 5500 GeV 10 Tausend/Sekunde Größter “Kühlschrank” der Welt (1.8 K, 700.000 l suprafluides Helium) 27 km mit 1296 Dipolmagneten (8T) 100 m unter der Erde

Der Large Hadron Collider (LHC) http://natronics.github.io/science-hack-day-2014/lhc-map/

E=mc2 at work Pb Pb

Blasenkammer Erster Detektor, mit dem sich gezielt komplizierte Vorgänge sichtbar machen lassen. jpw, Physikertagung 10.9.09

jpw, Physikertagung 10.9.09

Impuls = Masse * Geschwindigkeit 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)

Teilchenidentifikation durch Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Art der Strahlung g-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 - Hohe Energien - Paarbildung, Bremsstrahlung → Elektromagnetische Schauer Teilchenerzeugung (p-Mesonen) → Hadronische Schauer Ziel: Bestimmung des 4er-Impulses (E,p)

Bethe-Bloch-Formel: Energieverlust geladener Teilchen in Materie x in g/cm2

Gasdetektoren

Weiterentwicklung von Gasdetektoren

Zeit-Projektionskammer (TPC)

Kombination von Energieverlust und Impulsmessung

Teilchenidentifikation durch Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Art der Strahlung g-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 - Hohe Energien - Paarbildung, Bremsstrahlung → Elektromagnetische Schauer Teilchenerzeugung (p-Mesonen) → Hadronische Schauer Ziel: Bestimmung des 4er-Impulses (E,p)

Wechselwirkung von Photonen mit Materie (I) Fotoeffekt Comptoneffekt Paarbildung Absorption eines Photons Streuung 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 Energien Trägt bei allen Energien bei Dominiert bei hohen Energien

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

Elektromagnetische Schauer elektromagnetischer Schauer: 1 X0 2 X0 3 X0 4 X0

Elektromagnetischer Schauer in Nebelkammer

Sandwich-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

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

Invariante Masse Euklidischer (3er) Vektor 4er-Vektor z.B. Ort und Impuls z.B. Energie-Impuls Betrags-Quadrat Betrags-Quadrat des Bezugssystems. Invariant unter Transformation (Drehung und Translation) sich die Teilchenmasse rekonstruieren.

Collider-Detektoren - kennse einen kennse alle Central Barrel 2 p tracking & PID Dh ≈ ± 1 Muon Spectrometer 2.5 < h < 4 Detector: Size: 16 x16 x 26 m Weight: 10,000 t Collaboration: > 1300 Members > 130 Institutes > 35 countries TRD, PHOS partially installed, rest fully installed and operational