Tinne AnthonisTom Beckers

Universitaire Instelling Antwerpen (UIA)

Met dank aan Wim Peeters

DeeltjesdetectorenDeeltjesdetectoren

InhoudInhoud

BotsingenDetectoren

Principe Subdetectoren Operatie van detectoren

Praktische toepassingen

Botsingen (1)Botsingen (1)Proeven in de hoge energie fysica

bestuderen de interacties tussen deeltjes door verstrooiing van deeltjes op andere

Dit soort interacties heeft tot gevolg een verandering van bewegingszin, energie en

impuls van de originele deeltjes

de productie van nieuwe deeltjes

Deze interacties worden in botsingsexperimenten georganiseerd:

Electron kijkt als “probe” in het proton (cfr. Rutherford)

...of annihilatie van materie en antimaterie creëert nieuwe deeltjes:

Botsingen (2)Botsingen (2)

Botsingen (3)Botsingen (3) Resultaat van een botsing: verschillende deeltjes

vliegen weg en vervallen in andere deeltjes

InhoudInhoud

BotsingenDetectoren

PrincipeWelke eigenschappen meten we?Welke deeltjes?Opbouw van de detectorInteracties van deeltjes in CMS detector

Subdetectoren Operatie van detectoren

Praktische toepassingen

Detector: Detector: welke eigenschappen meten?welke eigenschappen meten?

De “Ideale detector” meet de baan van alle geproduceerde deeltjes de energie de impuls (massa x snelheid) hun identiteit

De “Ideale detector” meet de baan van alle geproduceerde deeltjes de energie de impuls (massa x snelheid) hun identiteit

Met een detector kunnen we de interactie reconstrueren.

Detector: Detector: welke deeltjes detecteren?welke deeltjes detecteren?

Geladen deeltjes e-, e+, p (protonen), , K (mesonen), (muonen)

Neutrale deeltjes (fotonen), n (neutronen), K0 (mesonen), neutrinos, erg moeilijk)

Verschillende soorten deeltjes interageren erg verschillend met materie (detectoren)

Detector bestaat uit verschillende onderdelen ( = subdetectoren)

Detector bestaat uit verschillende onderdelen ( = subdetectoren)

Opbouw van een detector (1)Opbouw van een detector (1)

Energie meten / sporen bepalen ?

Opbouw van een detector (2)Opbouw van een detector (2)

Fotonen en elektronen stoppen sneller in de calorimeter

Opbouw van een detector (3)Opbouw van een detector (3)

Muonen stoppen helemaal niet in de calorimeter

Opbouw van een detector (4)Opbouw van een detector (4)

Hoe impuls meten?

Hoe meten we de impuls?Hoe meten we de impuls?

q v B = m v2/R

q B R = m v = p

Lorentz-kracht

Magnetisch veld, uit het blad wijzend

Negatieve lading

Positieve lading

R2

R1

p2

p1

p1<p2 R1 < R2 p1<p2 R1 < R2

Geladen deeltje beweegt op cirkelbaan

met een “magneet+sporendetectormagneet+sporendetector”

Opbouw van een detector (5)Opbouw van een detector (5)

Heel dicht bij het interactiepunt moeten de sporen extreem precies bepaald worden

Opbouw van een detector (6)Opbouw van een detector (6)

De detector is compleet !

Interacties van deeltjes in CMS Interacties van deeltjes in CMS detectordetector

Klik op het prentje voor een Flash animatie (opent in browser venster)

InhoudInhoud

BotsingenDetectoren

Principe Subdetectoren

MeetprincipesSporendetectorCalorimeterIdentificatiedetectoren

Operatie van detectorenPraktische toepassingen

Meetprincipes Meetprincipes Meten gebeurt via een interactie van het deeltje met de

detector (materiaal)

creëren van een meetbaar, elektrisch signaal

IonisatieIonisatie

Excitatie/ScintillatieExcitatie/Scintillatie

p

e-

p

e-

pp

SporendetectorSporendetector Basis doelBasis doel:

het zichtbaar maken van de doorgang van een geladen deeltje door materie --> meten van de sporen ( track )

ReconstructieReconstructie van de baan uit die sporen (punten in de ruimte)

Hieruit de impuls berekenen (zie vroeger) Opgelet: het deeltje mag niet teveel beïnvloed worden

door het materiaal van de detector zelf: Geen materialen met grote dichtheid!

Sporendetector : werkingsprincipeSporendetector : werkingsprincipe Detector opgedeeld in kleine cellen, ionisatie leidt tot electrisch signaal in cel

Spoor wordt bepaald door cirkelbanen te trekken door geraakte cellen Precisie begrensd door de grootte van de cellen

Fouten op de afstanden Fouten op het het spoor, dus fout op de impuls

Sporendetector: voorbeeldenSporendetector: voorbeelden

Sporendetector: gebeurtenisSporendetector: gebeurtenis

CalorimetrieCalorimetrie

Basisprincipe: Op zijn weg door een materiaal, botst een

deeltje op de atomen. Hierdoor verliest het telkens energie en ioniseert/exciteert deze atomen. Hierdoor ontstaan secundaire secundaire deeltjesdeeltjes.

Indien het materiaal dik genoeg is, verliest het deeltje al zijn energie. Het aantal secundaire deeltjes is dan evenredig met evenredig met de initiële energie.

DeeltjeslawinesDeeltjeslawines

Interacties van deeltjes met materie:

Materie vb. blok lood

Lood atoom

De lawine wordt gedeeltelijk of volledig geabsorbeerd

Secundaire deeltjes

Hoe kun je secundaire deeltjes meten?Hoe kun je secundaire deeltjes meten?

1. Met calorimeters die monsters calorimeters die monsters nemen:

Blokken met hoge dichtheid, zoals loodDetectoren, zoals dradenkamers of

of scintillators

Sandwich-structuur !

Sandwich-structuur !

Hoe kun je secundaire deeltjes meten?Hoe kun je secundaire deeltjes meten?

2. Met homogene calorimetershomogene calorimeters, zoals, zoals kristalcalorimeterskristalcalorimeters:

signaal

fotonen

Nota : deze kristallen worden ook elders gebruikt: Medische beeldvorming, PET)Nota : deze kristallen worden ook elders gebruikt: Medische beeldvorming, PET)

Foto diode

Kristal (BGO, PbWO4,…)

ALEPH ALEPH

ijzer

Hadron CalorimeterHadron Calorimeter

Bemonsterend, ijzer + scintillator.

L3L3

EM CalorimeterEM Calorimeter

Homogeen, kristallen.

ALEPH ElCal

pionen elektron

Calorimeter: gebeurtenisCalorimeter: gebeurtenis

Identificatie van de deeltjesIdentificatie van de deeltjes

Basis principes: via verschillende interacties met materie (zie detector)

door de massa van de vervalproducten te meten kunnen we de massa van het oorspronkelijke deeltje bepalen

door de snelheid te meten en onafhankelijk onafhankelijk daarvan(!)daarvan(!) de impuls : p=m.v => m=p/vWaarneembare grootheden die bepaald worden door de snelheid zijn :

gemiddeld energieverlies Cherenkov straling

extra subdetectoren

Gemiddeld energieverliesGemiddeld energieverlies Deeltjes die die door een gas vliegen verliezen

energie, o.a. door ionisatieionisatie

Everloren / afgelegde weg = func( snelheid v/c ) Everloren / afgelegde weg = func( snelheid v/c )

Bethe-Bloch formula Everloren 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 stralingCherenkov straling

Deeltjes die in een middenstof sneller vliegen dan sneller vliegen dan de lichtsnelheid in die middenstofde lichtsnelheid in die middenstof zenden

fotonen uit --> Cherenkov stralingCherenkov straling

Vergelijk: de schokgolf bij supersonische vliegtuigen

v

1

nvsin 0cc

v

1

nvsin 0cc

c0 = lichtsnelheid in vacuüm

Cherenkovlicht

golffront De hoek α is een maat

voor de snelheid van het betreffende deeltje

InhoudInhoud

BotsingenDetectoren

Principe Subdetectoren Operatie van detectoren

Voorbeeld CMS detectorNood aan statistiekTrigger + DAQ

Praktische toepassingen

Voorbeeld : de CMS detectorVoorbeeld : de CMS detector

Aantal uitleeskanalen: 16.000.000

Aantal botsingen per seconde: 40.000.000

Nood aan statistiek Nood aan statistiek Een enkele gebeurtenis : erg gecompliceerd en

moeilijk te ontcijferen. Meer gedetailleerde informatie : zorgvuldig

uitgekozen parameters van de botsingen bekijken voor een groot aantal botsingen.

760.000 botsingen !

Trigger + DAQTrigger + DAQ

InhoudInhoud

BotsingenDetectoren

Principe Subdetectoren Operatie van detectoren

Praktische toepassingen WWW Medische diagnose Medische behandeling

Praktische toepassingen (1)Praktische toepassingen (1)

Praktische toepassingen (2)Praktische toepassingen (2)Medische diagnose tools : vb. PET

scanner

Praktische toepassingen (3)Praktische toepassingen (3) PET beelden :

ADHD (Attention Deficit Hyperactivity Disorder)

Lezen / horen

Praktische toepassingen (4)Praktische toepassingen (4)Medische behandelingstools : vb.

proton therapie

Praktische toepassingen (5)Praktische toepassingen (5)

SamenvattingSamenvatting In deze serie over detectoren trachtten we uit

te leggen welke welke grootheden we in de hoge energie fysica

trachten te meten hoe hoe we dat doen (tracking, calorimetrie, deeltjes identificatie)

Bij de studie van detectoren heb je veel disciplines uit en buiten de fysica nodig : Onderzoek en ontwikkeling (detectors +

electronica) DAQ (data acquisitie, het verzamelen en

verwerken van de gegevens = computertechnologie, soft& hardware)

toepassingen buiten de hoge energie fysica : medische toepassingen, internet toepassingen,

“alledaagse” toepassingen, ...