Detektorok. Fodor Zoltán MTA-KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézete. Hungarian Teachers Programme 2010 CERN - PDF
Download "Detektorok. Fodor Zoltán MTA-KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézete. Hungarian Teachers Programme 2010 CERN"
1 Detektorok Fodor Zoltán MTA-KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézete CERN Hungarian Teachers Programme 2010
2 Mit is nevezünk detektornak? Az egyszerű részecske áthaladást kimutató műszert Összetettebb nyomkövető egységet Egész, akár egy épületnyi, detektorrendszert, amely az előzőkből épül fel. A nagyobb detektor rendszerek a CERN-ben: LHC: CMS, ATLAS, ALICE, TOTEM, LHCb, LHCf SPS: SHINE, COMPASS Magyar részvétellel HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 2
3 Nyaláb A kísérletek főbb részei bombázó részecskéknek a céltárgyra való vezetése Detektor elemek a reakcióban keletkezett részecskéket megfigyelő rendszer Trigger rendszer kiválasztja megfigyelni kívánt ütközéseket Adatgyűjtő rendszer összegyűjti a detektorok adatait a különböző detektorokról és csoportosítja az egy adott ütközéshez tartozókat. Adatfeldolgozás A mért adatokból /feszültség, áram, töltés idő,../ meghatározza a detektált részecskék tulajdonságait, majd azokból további mennyiségeket származtat és analizálja azokat HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 3
4 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 4 Mérendő mennyiségek Minden keletkező részecskére kilépési iránya tömege töltése sebessége Energiája bizonyos esetekben a hiányzó energia Használt mennyiségek momentum: mv, egysége GeV/c mágneses térben való eltérülésnél relativisztikus energia: GeV/c 2
5 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 5 Detektálás alapvető kölcsönhatásai Töltött részecskék: Ionizáció Cserenkov sugárzás Határátmeneti sugárzás Reakciókban keletkezett termékek Semleges részecskék: részecskék, fotonok az anyag gerjesztése, majd fény kibocsátással való legerjedése Neutron kölcsönhatás után keletkezett részecskék detektálásával, leginkább np szórás Bomló részecskék bomlási termékek detektálásával, amit a nyomdetektorokban látható tipikus alakja után V 0 hívnak Neutrinó az elektronnal való kölcsönhatás
6 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 6 Detektorok fejlődése Részecske detektálása adott anyagon való áthaladás után Részecske áthaladásának detektálása mágneses térrel kombinálva Részecske energia leadásának és sebességének mérése Korrelációk mérése több detektorral Nyomdetektálás Fényképezéssel /ködkamra, buborékkamra, streamer kamra,../ Elektronikusan /TPC, / Kinematikailag teljes mérés /az összes keletkezett részecskét detektáljuk, nagy energián szinte megvalósíthatatlan/
7 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 7 Detektor típusok Nyomdetektorok Emulziók, köd-, buborék, szikra kamrák A keletkezett ionizációs elektronokat teszik láthatóvá különböző módokon Gázalapú detektorok Ionizációs, proporcionális, idő projekciós, kamrák Az ionizációban keletkezett elektronokat mérik meg Si alapú detektorok Pixel vagy csík detektorok Szcintillációs detektorok Fénnyé alakítják a leadott energiát Kaloriméterek A beeső részecske energiájával arányos másodlagos részecskét keltenek és a jel arányos ezzel a számmal
8 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán , buborék kamra 16 GeV nyaláb, folyékony hidrogén buborékkamrás felvétel
9 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 9 Az részecske keltése és bomlása, buborékkamrás felvételen
10 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán GeV energiájú kénmagok arany céltárgyon, szikrakamra
11 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 11 NA49-es esemény képe 1996
12 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 12 Ionizációs kamra - Elsődleges ionizáció ~100 e/cm A mért tőltés arányos az elsődleges ionizációval
13 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 13 Proporcionális kamra - + Elsődleges ionizáció ~100 e/cm Gázsokszorozás a szálon ~10 5 -
14 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 14 Time projection kamra (TPC) - Elsődleges ionizáció ~100 e/cm Gázsokszorozás a szálon ~10 5 Kiolvasó lapka helye ad 2 koordinátát Vándorlási idő méréséből a 3. koordináta + -
15 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 15 Si alapú félvezető detektorok Nagyfelbontású vertex és nyomkövető detektorokhoz Anyagok: szilícium, germánium, gallium-arzenid, gyémánt Kis sűrűsége és kis ionizálása miatt megfelelő nagyságú jelek μm vastagsággal elérhetők, gyors jelek O(10 ns) Dióda p n átmenettel, inverz kapcsolásban
16 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 16 5, 9 és 12 cm sugár, 3 henger és 3 körlap 80 millió pixel
17 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 17 Pixel/drift/strip detektor (SPD, SDD, SSD)
18 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 18 Katód-csík kamra (CSC) Töltött részecske ionizál Lavina az anódszálak körül Indukált töltéses a katódon CMS
19 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 19 Resistive Plate Chamber (RPC) Jó helyfelbontás és jó időfelbontás Hely és idő együttes mérése, nyomkövetés, pl müonok Nincsenek benne drótok, egyszerű megépíteni
20 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 20 Gáz elektronsokszorozó(gem) Vékony polimer lap (50-70 μm), mindkét oldalán réz bevonattal Nagy elektromos tér a lyukakban (30-50 μm), lavina szeres erősítés, az elektronokat kilövi
21 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 21 Cserenkov detektor Szög c = arccos(1/n ), küszöbsebesség t = 1/n Elemek: a sugárzó, melyen a töltött részecske áthalad, valamint a fotodetektor Küszöbdetektorok: igen/nem válasz, a részecske a t = 1/n küszöb felett? Képalkotó detektorok: pl Ring-Imaging Cherenkov (RICH)
22 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 22 Átmeneti sugárzás det. (TRD) A részecske két különböző anyag (vákuum és anyag) közti határon halad át A kisugárzott energia I ~ z 2 p Röntgensugár (2-20 kev) a részecske haladási irányában A sugárzás esélye 1% átmenetenként, több száz határfelület alkalmazása Fóliák, szálak, alacsony Z-jű anyagok (polipropilén, lítium) gázban
23 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 23 Elektromágneses kalóriméter (ECAL) Elektromágneses záporok: párkeltés és fékezési sugárzás Homogén: az egész térfogat érzékeny (pl BGO, CsI, NaI, ólomüveg) Mintavevő: aktív anyag (szcintillátor, nemes folyadék) és passzív elnyelő (ólom, vas, réz, urán) síkok egymás után
24 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 24 Repülési idő mérése (TOF) A mérés kezdete: a bombázó részecske belépése a rendszerbe A mérés vége: a részecske becsapódása a detektorba A bombázó részecske repülési ideje a céltárgyig állandó A keletkezett részecske által megtett út az impulzusától függ a mágneses tér miatt A mérés relatív, mert csak a különböző részecskék között repülési idő különbséget kell mérni. Az NA49/NA61-es kísérletnél a repülési út ~14m, a szükséges pontosság ps, az egyik rendszert a KFKI készítette és ezért BUDAFAL a neve.
25 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 25 Hadron kalóriméter Többféle lehetőség (ólom lapok + szcintillátor, vas + kvarc szálak) Hosszanti energia leadás eloszlása: két komponens Éles csúcs az első kölcsönhatás pontja körül (az ott keltett 0 k miatt) Lassabb az alacsony energiás hadronikus összetevő
26 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 26 Mágnesek Szolenoid, vagy szolenoid + toroid ATLAS Szilícium nyomkövető: pixelek és csíkok Elektromágneses és hadronikus kaloriméterek, müon kamrák
27 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 27 CMS Szilícium nyomkövető: pixelek és csíkok Elektromágneses és hadronikus kaloriméterek, müon kamrák
28 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 28 TOTEM
29 Szolenoid mágnes 0.5 T Kozmikus sugárzás trigger Forward detectorok PMD FMD, T0, V0, ZDC Specializált detektorok HMPID PHOS Point Központi nyomkövető rendszer MUON Spektrométer ITS elnyelő anyagok TPC nyomkövető állomások TRD trigger kamrák TOF dipól mágnes HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 29
30 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 30 Részecske azonosítás
31 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 31 VHMPID: Very High Momentum Particle Identification Detector VHMPID A nagyimpulzusú részecskéket tartalmazó események ritkák: trigger szükséges! Így csak érdekes eseményeket írunk ki szalagra! A Bp ALICE csoport építi a VHMPID triggerdetektorát (HPTD).
32 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 32 VHMPID HPTD HPTD: High-pT Trigger Detector Nagyimpulzusú részecskék gyors felismerése digitális padminták alapján. Minden 20. esemény kerül kiírásra nehézion ütközésekben! Az első prototípus beépítése az ALICE-ba: 2011!
33 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 33 A SHINE (NA61)-es kisérlet nagy térszögű hadron spektométer a CERN-SPS-nél Mágnesek impulzus mérésre beam Az előremenő teljes térszög le lett fedve ebből: (y,p t )-spektrum 4 yields részecske azonosítás de/dx (3-6% res.) TOF (60 ps res.) centrális rapiditás körül invariant mass + topology (5-10 MeV res.) Nyomdetektorok Repülési idő det. Centralítás mérése a bombázó részecske fragmentumai energiáinak alapján AA esetén könnyebb bombázó részecskék az ólom atommag hasításából
34 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 34
35 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 35
36 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 36 Budafal
37 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 37 Részecske azonosítás momentum de/dx
38 HTP 2010 Detektorok, Fodor Zoltán 38 K s 0 és 0 analizis Azonosítás a bomlás topológiája alapján (lásd az 1970-es felvételt) rapiditás [-0.5, 0.5], centralitás: % Háttér a hasonló nyomokból Háttér a hasonló nyomokból
Természettudományos Önképző Kör Helyszín: Berze Nagy János Gimnázium, Kiss Lajos terem 2007. V. 25, péntek, 14:45-15:45 Sok szeretettel köszöntünk minden kedves érdeklődőt Csörgő Tamás iskolánk öregdiákja,