Tinne Anthonis Tom Beckers Universitaire Instelling Antwerpen (UIA) Met dank aan Wim Peeters Deeltjesdetectoren

Inhoud zBotsingen zDetectoren yPrincipe ySubdetectoren yOperatie van detectoren zPraktische toepassingen

Botsingen (1) zProeven in de hoge energie fysica bestuderen de interacties tussen deeltjes ydoor verstrooiing van deeltjes op andere zDit soort interacties heeft tot gevolg yeen verandering van bewegingszin, energie en impuls van de originele deeltjes yde productie van nieuwe deeltjes

zDeze interacties worden in botsingsexperimenten georganiseerd: zElectron kijkt als “probe” in het proton (cfr. Rutherford) z...of annihilatie van materie en antimaterie creëert nieuwe deeltjes: Botsingen (2)

Botsingen (3) zResultaat van een botsing: verschillende deeltjes vliegen weg en vervallen in andere deeltjes

Inhoud zBotsingen zDetectoren yPrincipe xWelke eigenschappen meten we? xWelke deeltjes? xOpbouw van de detector xInteracties van deeltjes in CMS detector ySubdetectoren yOperatie van detectoren zPraktische toepassingen

Detector: welke eigenschappen meten? zDe “ Ideale detector” meet yde baan van alle geproduceerde deeltjes yde energie yde impuls (massa x snelheid) yhun identiteit zDe “ Ideale detector” meet yde baan van alle geproduceerde deeltjes yde energie yde impuls (massa x snelheid) yhun identiteit zMet een detector kunnen we de interactie reconstrueren.

Detector: welke deeltjes detecteren? zGeladen deeltjes  e -, e +, p (protonen),  , K  (mesonen),   (muonen) zNeutrale deeltjes   (fotonen), n (neutronen), K 0 (mesonen),   neutrinos, erg moeilijk) zVerschillende soorten deeltjes interageren erg verschillend met materie (detectoren) Detector bestaat uit verschillende onderdelen ( = subdetectoren)

Opbouw van een detector (1) zEnergie meten / sporen bepalen ?

Opbouw van een detector (2) zFotonen en elektronen stoppen sneller in de calorimeter

Opbouw van een detector (3) zMuonen stoppen helemaal niet in de calorimeter

Opbouw van een detector (4) zHoe impuls meten?

Hoe meten we de impuls? q v B = m v 2 /R q B R = m v = p Lorentz-kracht Magnetisch veld, uit het blad wijzend Negatieve lading Positieve lading R2R2 R1R1 p2p2 p1p1 p 1 <p 2  R 1 < R 2 Geladen deeltje beweegt op cirkelbaan magneet+sporendetector met een “magneet+sporendetector”

Opbouw van een detector (5) zHeel dicht bij het interactiepunt moeten de sporen extreem precies bepaald worden

Opbouw van een detector (6) zDe detector is compleet !

Interacties van deeltjes in CMS detector Klik op het prentje voor een Flash animatie (opent in browser venster)

Inhoud zBotsingen zDetectoren yPrincipe ySubdetectoren xMeetprincipes xSporendetector xCalorimeter xIdentificatiedetectoren yOperatie van detectoren zPraktische toepassingen

Meetprincipes zMeten gebeurt via een interactie van het deeltje met de detector (materiaal) ycreëren van een meetbaar, elektrisch signaal xIonisatie xExcitatie/Scintillatie p e-e- p e-e- p p 

Sporendetector zBasis doel zBasis doel: yhet zichtbaar maken van de doorgang van een geladen deeltje door materie --> meten van de sporen ( track ) yReconstructie yReconstructie van de baan uit die sporen (punten in de ruimte) yHieruit de impuls berekenen (zie vroeger) yOpgelet: het deeltje mag niet teveel beïnvloed worden door het materiaal van de detector zelf: Geen materialen met grote dichtheid!

Sporendetector : werkingsprincipe zDetector opgedeeld in kleine cellen, ionisatie leidt tot electrisch signaal in cel zSpoor wordt bepaald door cirkelbanen te trekken door geraakte cellen zPrecisie begrensd door de grootte van de cellen Fouten op de afstandenFouten op het het spoor, dus fout op de impuls

Sporendetector: voorbeelden

Sporendetector: gebeurtenis

Calorimetrie yBasisprincipe: secundaire deeltjes yOp zijn weg door een materiaal, botst een deeltje op de atomen. Hierdoor verliest het telkens energie en ioniseert/exciteert deze atomen. Hierdoor ontstaan secundaire deeltjes. evenredig met yIndien het materiaal dik genoeg is, verliest het deeltje al zijn energie. Het aantal secundaire deeltjes is dan evenredig met de initiële energie.

Deeltjeslawines zInteracties van deeltjes met materie: Materie vb. blok lood Lood atoom zDe lawine wordt gedeeltelijk of volledig geabsorbeerd Secundaire deeltjes

Hoe kun je secundaire deeltjes meten? calorimeters die monsters z1. Met calorimeters die monsters nemen: Blokken met hoge dichtheid, zoals lood Detectoren, zoals dradenkamers of of scintillators Sandwich-structuur !

Hoe kun je secundaire deeltjes meten? homogene calorimeters, zoals kristalcalorimeters z2. Met homogene calorimeters, zoals kristalcalorimeters: signaal fotonen Nota : deze kristallen worden ook elders gebruikt: Medische beeldvorming, PET) Foto diode Kristal (BGO, PbWO 4,…)

ALEPH  ijzer Hadron Calorimeter Bemonsterend, ijzer + scintillator.

L3 EM Calorimeter Homogeen, kristallen.

ALEPH ElCal pionen elektron Calorimeter: gebeurtenis

Identificatie van de deeltjes zBasis principes: yvia verschillende interacties met materie (zie detector) ydoor de massa van de vervalproducten te meten kunnen we de massa van het oorspronkelijke deeltje bepalen onafhankelijk daarvan(!) ydoor de snelheid te meten en onafhankelijk daarvan(!) de impuls : p=m.v => m=p/v Waarneembare grootheden die bepaald worden door de snelheid zijn : xgemiddeld energieverlies xCherenkov straling extra subdetectoren

Gemiddeld energieverlies ionisatie zDeeltjes die die door een gas vliegen verliezen energie, o.a. door ionisatie  E verloren  / afgelegde weg = func( snelheid v/c ) Bethe-Bloch formula   E verloren   aantal ionisaties  grootte van de signalen op de draden Nota : indien de onafhankelijke veranderlijke v zou zijn, zouden alle curven op elkaar liggen! Nota : indien de onafhankelijke veranderlijke v zou zijn, zouden alle curven op elkaar liggen!

Cherenkov straling sneller vliegen dan de lichtsnelheid in die middenstof Cherenkov straling zDeeltjes die in een middenstof sneller vliegen dan de lichtsnelheid in die middenstof zenden fotonen uit --> Cherenkov straling Vergelijk: de schokgolf bij supersonische vliegtuigen c 0 = lichtsnelheid in vacuüm Cherenkovlicht golffront De hoek α is een maat voor de snelheid van het betreffende deeltje

Inhoud zBotsingen zDetectoren yPrincipe ySubdetectoren yOperatie van detectoren xVoorbeeld CMS detector xNood aan statistiek xTrigger + DAQ zPraktische toepassingen

Voorbeeld : de CMS detector zAantal uitleeskanalen: zAantal botsingen per seconde:

Nood aan statistiek zEen enkele gebeurtenis : erg gecompliceerd en moeilijk te ontcijferen. zMeer gedetailleerde informatie : zorgvuldig uitgekozen parameters van de botsingen bekijken voor een groot aantal botsingen botsingen !

Trigger + DAQ

Inhoud zBotsingen zDetectoren yPrincipe ySubdetectoren yOperatie van detectoren zPraktische toepassingen yWWW yMedische diagnose yMedische behandeling

Praktische toepassingen (1)

Praktische toepassingen (2) zMedische diagnose tools : vb. PET scanner

Praktische toepassingen (3) zPET beelden : yADHD (Attention Deficit Hyperactivity Disorder) yLezen / horen

Praktische toepassingen (4) zMedische behandelingstools : vb. proton therapie

Praktische toepassingen (5)

Samenvatting zIn deze serie over detectoren trachtten we uit te leggen ywelke ywelke grootheden we in de hoge energie fysica trachten te meten yhoe yhoe we dat doen ( tracking, calorimetrie, deeltjes identificatie ) zBij de studie van detectoren heb je veel disciplines uit en buiten de fysica nodig : yOnderzoek en ontwikkeling (detectors + electronica) yDAQ (data acquisitie, het verzamelen en verwerken van de gegevens = computertechnologie, soft& hardware) ztoepassingen buiten de hoge energie fysica : ymedische toepassingen, internet toepassingen, “alledaagse” toepassingen,...