Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren

Präsentation zum Thema: "Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren"—  Präsentation transkript:

1 Teilchenidentifikation mit Cherenkov-Detektoren
Rüdiger Reuter

2 Inhalt Motivation Entstehung der Cherenkov-Strahlung
Radiatormaterialien Detektorsysteme Delphi BaBar

3 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

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

5 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.

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

7 Beispiel für Cherenkov-Strahlung

8 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

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

10 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

11 Radiatoren

12 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

13 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!

14 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

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

16 Differentielle Detektoren
P=20GeV

17 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

18 RICH Detektoren

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

20 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

21 Barrel RICH

22 Barrel RICH

23 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

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

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

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

27 DIRC

28 DIRC

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

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

31 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit