Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου)

Transcript

1 Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 3: Πειράματα-Ανιχνευτές (β' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 16 Μαρτίου 2010

2 Τι θα συζητήσουμε Επιταχυντές και ανιχνευτές προηγούμενο μάθημα Πειραματικές διατάξεις Ιχνηλασία και Καλοριμετρία Αλληλεπίδραση σωματιδίων με την ύλη Ακρίβεια μέτρησης ορμής/ενέργειας με κάθε τεχνική Διάφορες μετρήσεις Πιθανότητα διακλάδωσης (Branching Ratio) Μάζα Χρόνος ζωής =Lifetime (από decay length) Κινηματική και μονάδες 2

3 Προηγoύμενο μάθημα Προηγούμενο Επιταχυντές: Φωτεινότητα και ενεργός διατομή Συγκρουστές ηλεκτρονίων precision machines Συγκρουστές πρωτονίων discovery machines Ουσιαστικά συγκρούονται κουάρκ ή γκλουόνια μέσα στα πρωτόνια Ανιχνευτές: Ιχνηλασία και καλοριμετρία Διάταξη ανιχνευτικών διατάξεων σε πειράματα σθγκρουόμενων δεσμών 3

4 Σύγκρουση Προηγoύμενο πρωτονίων μάθημα Σύγκρουση p p: τα xa, xb είναι τυχαία Πλεονεκτήματα: διερευνούμε μια περιοχή της ΕC M : καλό για ανακάλυψη άγνωστων/νέων σωματιδίων Μειονεκτήματα: Δεν είναι γνωστό ποιά σωματίδια αλληλεπέδρασαν => περίπλοκοι υπολογισμοί η ΕC M ΔΕΝ είναι γνωστή εκ των προτέρων => θέλουμε p p δέσμες μεγάλης ενέργειας για να έχουμε αρκετή πιθανότητα για μεγάλα pa, pb => για παραγωγή βαρέων σωματιδίων xa xb => pa -pb => C.M. boosted w.r.t. lab frame => δεν ξέρουμε την αρχική ορμή κατά μήκος των δεσμών πρωτονίων (άξονας z) => μόνο (x,y) x = momentum fraction 4

5 Ιχνηλασία ( tracking ) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό) Φορτισμένο σωματίδιο HV + HV

6 Μέτρηση ορμής φορτισμένου σωματιδίου => Μετράμε την ορμή (p) από την καμπύλωση (R) της τροχιάς φορτισμένου σωματιδίου σε μαγνητικό πεδίο B. Η δύναμη Lorentz F = q v B δίνει κεντρομόλο επιτάχυνση, άρα: F = p v / R B F v Τροχιά φορτισμένου σωματιδίου Β R => Όσο μεγαλύτερη η ορμή (p) του σωματιδίου, τόσο μεγαλύτερη η ακτίνα καμπυλότητας (R) της τροχιάς που ιχνηλατούμε ~ευθείες τροχιές έιναι από ενεργητικά σωματίδια! 6

7 Μέτρηση της ενέργειας σωματδίου Αποροφούμε το σωματίδιο σε κατάλληλο θερμιδόμετρο καλορίμετρο και μετράμε την ενέργεια που αποροφήθηκε = η αρχική ενέργεια του σωματιδίου Προσπίπτων σωματίδιο σε θερμιδόμετρο-καλορίμετρο. Στα θερμιδόμετρα-καλορίμετρα μετρούμε και την ενέργεια ουδέτερων σωματιδίων (για τα οποία δεν έχουμε μέτρηση από ιχνηλασία) 7

8 Αλληλεπίδραση σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια 8

9 Αλληλεπίδραση διαφόρων σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Η θέση των διαφόρων τύπων ανιχνευτών σ' ένα πείραμα συγκρουόμενων δεσμών 9

10 Πειραματικές διατάξεις σε επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών - e + e 10

11 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό) 11

12 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Το 1997 δημιουργήθηκε στο ΑΠΘ ένα εργαστήριο για την κατασκευή και τον έλεγχο ανιχνευτών μιονίων. Μια σύντομη περιήγηση στους χώρους του εργαστηρίου Χώρος Ελεγχόμενων Συνθηκών 12

13 Στο LHC χρειαζόμαστε ανιχνευτές που.. 7x10 12 ev cm -2 s Beam Energy Luminosity Bunches/Beam Protons/Bunch 7.5 µ (25 νσ) Bunch Crossing Proton Collisions 7 TeV Proton Proton colliding beams Hz 10 9 Hz e- ﾵ+ Parton Collisions New Particle Production (Higgs, SUSY,...) 10-5 Hz p ﾵ+ Z H θ ﾵp Z ﾵ- θ γ p θ θ χ2 0 νε χ1 θ p µ+ µ χ 0 1 Σελεχτιον οφ 1 εϖεντ ιν 10,000,000,000,000 * Να βλέπουν ένα δισεκατομύριο συγκρούσεις πρωτονίων το δεπτερόλεπτο, * Nα διαλέγουν τις καλύτερες ανά δεπτερόλεπτο * και να τις καταγράφουν με διακριτική ικανότητα φωτοφραφικής μηχανής των 100 Μεγα pixleς. 13

14 Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των καλύτερων 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο 14

15 Το online σύστημα επιλογής πρέπει να είναι έξυπνο και γρήγορο 15

16 Υπολογιστές παντού παγκόσμιο δίκτυο (Grid) 20 χλμ 15 χλμ * Μετά το world-wide web (WWW) που ανακαλύφθηκε στο CERN, ένα ακόμα βήμα προς ένα αποκεντρωμένο υπολογιστικό μοντέλο * Απαραίτητο για την ανάλυση και αποθήκευση των παργόμενων δεδομένων * Π.χ., το πείραμα ATLAS καταγράφει πληροφορίες όσο ένα CD κάθε ~2 δεπτερόλεπτα 16

17 Τι καινούργιο θα συζητήσουμε σήμερα Πειραματικές διατάξεις Ιχνηλασία και Καλοριμετρία Αλληλεπίδραση σωματιδίων με την ύλη Ακρίβεια μέτρησης ορμής/ενέργειας με κάθε τεχνική Διάφορες μετρήσεις Πιθανότητα διακλάδωσης (Branching Ratio) Μάζα Χρόνος ζωής =Lifetime (από decay length) Κινηματική και μονάδες 17

18 Ιχνηλασία (tracking) Διέλευση από ανιχνευτές συνήθως ιονισμού, αλλά και ημιαγωγών: Ανακατασκευάζουμε το ίχνος / την τροχιά του φορτισμένου σωματιδίου: Η δύναμη Lorentz δίνει κεντρομόλο επιτάχυνση, άρα: F=qvB=pv/R Β p = 0.3 B R R p σε GeV/c, B σε Tesla, R σε m 18

19 Ακρίβεια μέτρησης ορμής Η ακρίβεια μέτρησης της ορμής μεγαλώνει (δηλ., η αβεβαιότητα μικραίνει), με: Πολλά σημεία μετρήσεων Μεγάλο Β Μεγάλο μήκος ανιχνευτή (L) ε=ακρίβεια μέτρησης σημείου (π.χ. ε=0.3mm) σ(p)/pt = const * pt όσο μεγαλύτερη η ορμή, τόσο πιο ανακριβής (%) η μέτρηση 19

20 Για να υπολογίσουμε την απώλεια ενέργειας ανά μονάδα απόστασης (de/dx, σε MeV/cm), πρέπει να πολλαπλασιάσουμε το 1/ρ de/dx (σε MeV cm2/g) με την πυκνότητα ρ του υλικού. 1/ρ de/dx Φορτισμένο σωματιδίο χάνει ένεργεια διαπερνώντας την ύλη: specific Energy Loss (1/ρ de/dx) βγ Ένα σωματίδιο διασχίζει ένα υλικό με πυκνότητα ρ. Ανάλογα με την ορμή του, το σωματίδιο χάνει ενέργεια και με διαφορετικό μηχανισμό. Π.χ., στην περιοχή βγ=[ ] (περιοχή Bethe-Bloch) έχουμε απώλειες με ιονισμό του υλικού. Από εκεί και πάνω, η απώλεια ενέργειας είναι κυρίως λόγω εκπομπής φωτονίων (δηλ., με radiation = Bremsstahlung) 20

21 Απώλεια ενέργειας με ιονισμό και διέγερση του υλικού (Bethe-Bloch) Bethe Bloch Formula Z1e = φορτίο προσπίπτοντος σωματιδίου β=η ταχύτητά του ρ,ζ,α = πυκνότητα κλπ του ανιχνευτή Π.χ., Φορτισμένα σωματίδια (από κοσμική ακτινοβολία) διαπερνούν υλικό πυκνότητας ρ. Η απώλεια ενέργειάς του είναι μεγαλύτερη, όσο περισσότερο φορτίο έχει το σωματίδιο: de/dx ~ Z12 21

22 Απώλεια ενέργειας με ιονισμό και διέγερση του υλικού (Bethe-Bloch) Bethe Bloch Formula Z1e = φορτίο προσπίπτοντος σωματιδίου β=η ταχύτητά του ρ,ζ,α = πυκνότητα κλπ. του ανιχνευτή first decreases as 1/β2 increases with ln γ for β =1 is independent of M (M>>me) is proportional to Z12 of the incoming particle. is independent of the material (Z/A const) shows a plateau at large βγ (>>100) de/dx 1-2 * ρ [g/cm3] MeV/cm 1/ρ de/dx The specific Energy Loss 1/ρ de/dx βγ=p/mc 22

23 π.χ. Μιόνιο διαπερνά σίδερο - απώλεια ενέργειας (Energy Loss) Bethe Bloch Formula, a few Numbers: a minimum ionizing particle (MIP) Σημειώστε ότι για Z 0.5 A: 1/ρ de/dx 1.4 MeV cm 2 /g, όταν βγ 3 (minimum ionizing) 1/ρ Παράδειγμα : Σίδερο: πάχος = 100 cm; ρ = 7.87 g/cm3 de 1.4 * 100* 7.87 = 1102 MeV A 1.15 GeV Muon can traverse 1m of Iron! Για να υπολογίσουμε την απώλεια ενέργειας ανά μονάδα απόστασης (de/dx, σε MeV/cm), πρέπει να πολλαπλασιάσουμε το 1/ρ de/dx (σε MeV cm2/g) με την πυκνότητα ρ του υλικού. 23

24 Particle identification from energy loss Energy loss depends on the particle velocity and is independent of the particle s mass M. The energy loss as a function of particle momentum P= Mcβγ IS however depending on the particle s mass By measuring the particle momentum (deflection in the magnetic field) and measurement of the energy loss one can measure the particle mass Particle Identification! 24

25 Particle identification from energy loss Measure momentum by curvature of the particle track. Find de/dx by measuring the deposited charge along the track. Particle Identification ( particle ID ) 25

26 Σωμάτια σταματούν απόσταση(range) Particle of mass M and kinetic Energy E0 enters matter and looses energy until it comes to rest at distance R (=range of particle). 26

27 Σωμάτια σταματούν απόσταση(range) Particle of mass M and kinetic Energy E0 enters matter and looses energy until it comes to rest at distance R (=range of particle). Bragg Peak: For βγ>3 the energy loss is constant (Fermi Plateau) As the energy of the particle falls, below βγ=3, the energy loss rises as 1/β2 Towards the end of the track the energy loss is largest Cancer Therapy 27

28 Χωρική κατανομή εναπόθεσης της ενέργειας Average Range: Towards the end of the track the energy loss is largest Bragg Peak Cancer Therapy Photons 25MeV Carbon Ions 330MeV Relative Dose (%) Εναπόθεση της ενέργειας της ακτινοβολίας/σωματιδίων με ακρίβεια στην παθογενή περιοχή Cobalt 60 Electrons 21 MeV Depth of Water (cm) 28

29 Ιχνηλασία (tracking) άλλες μετρήσεις Μέτρηση φορτίου: Το μαγνητι κό πεδί ο εκτός του επι πέδου Μέτρηση χρόνου ζωής: Από το διάστημα πτήσης πριν τη διάσπαση length = βγτ c η πιθανότητα διάσπασης ~e-(t/τ) 29

30 Ηλεκτρόνια και φωτόνια σε πυκνή ύλη - EM shower Pair production (δίδυμη γένεση) Bremsstahlung X0 = radiation length = average distance a high energy electron has to travel before reducing it s energy from E0 to E0/ /e by photon radiation. 30

31 Ηλεκτρόνια/φωτόνια μπορείς έυκολα να τα σταματήσεις Critical Energy (κριτική ενέργεια): όταν de/dx (Ionization) = de/dx (Bremsstrahlung) For the muon (the second lightest particle after the electron) the critical energy is at 400GeV. Electron Momentum MeV/c - Muon in Copper: σε p 400GeV φτάνει κριτική ενέργεια - Electron in Copper: σε p 20MeV φτάνει κριτική ενέργεια 31

32 Ηλεκτρόνια/φωτόνια μπορείς έυκολα να τα σταματήσεις Critical Energy (κριτική ενέργεια): όταν de/dx (Ionization) = de/dx (Bremsstrahlung) For the muon (the second lightest particle after the electron) the critical energy is at 400GeV. Electron Momentum MeV/c - Muon in Copper: σε p 400GeV φτάνει κριτική ενέργεια - Electron in Copper: σε p 20MeV φτάνει κριτική ενέργεια The EM Bremsstrahlung is therefore only relevant for electrons (at the energies of the past and present Detectors) μόνο τα ηλεκτρόνια κάνουν ΕΜ shower 32

33 Καλοριμετρία Stopping particles Let us have a look at interaction of different particles with the same high energy (here 300 GeV) in a big block of iron: 1m electron The energetic electron radiates photons which convert to electron-positron pairs which again radiate photons which... This is the electromagnetic shower. The energetic muon causes mostly just the ionization... muon pion (or another hadron) Electrons and pions with their children are almost completely absorbed in the sufficiently large iron block. The strongly interacting pion collides with an iron nucleus, creates several new particles which interact again with iron nuclei, create some new particles... This is the hadronic shower. You can also see some muons from hadronic decays. 33

34 Καλοριμετρία ακρίβεια μέτρησης ενέργειας Όσο μεγαλύτερη η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου τόσο περισσότερα σωματίδια παράγονται στο shower τόσο περισσότερες μετρήσεις έχουμε για το shower τόσο καλύτερη μέτρηση της ενέργειας έχουμε σ(ε)/ε ~ 1/sqrt(Ε). Π.χ., σ(ε)/ε = 10% / sqrt(ε) 34

35 Καλοριμετρία ακρίβεια μέτρησης ενέργειας Όσο μεγαλύτερη η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου τόσο περισσότερα σωματίδια παράγονται στο shower τόσο περισσότερες μετρήσεις έχουμε για το shower τόσο καλύτερη μέτρηση της ενέργειας έχουμε σ(ε)/ε ~ 1/sqrt(Ε). Π.χ., σ(ε)/ε = 10% / sqrt(ε) Δηλαδή: αντίθετα με τη μέτρηση της ορμής, η μέτρηση της ενέργειας στον καλορίμετρο γίνεται όλο και πιο ακριβής όσο μεγαλώνει η ενέργεια του μετρούμενου σωματιδίου! σ(ε)/ε (%) Calorimtery: σ(e)/e = 10%/sqrt(E) Tracking: σ(p)/p = 1% * p Ε (GeV) Από κάποια ενέργεια ηλεκτρονίων και πάνω, η μέτρηση ενέργειας από τον καλορίμετρο είναι πολύ καλύτερη απο του tracker 35

36 Όλα μαζί σ' έναν ανιχνευτή 36

37 Παράδειγμα μέτρησης Branching Ratios Π.Χ., θέλουμε να μετρήσουμε τα ποσοστά διακλάδωσης του Ζ στις διάφορες τελικές του καταστάσεις Branching fractions ή Branching Ratios αυτό είναι ένα counting experiment : μεράμε πόσες φορές το Ζ πέθανε με το έναν ή τον άλλο τρόπο. Για να το κάνουμε αυτό πρέπει πρώτα να ανιχνεύσουμε τα μποζόνια Ζ που παράγονται και να ταυτοποιήσουμε την κάθε διάσπαση Θα δούμε μερικά παραδείγματα, από δεδομένα στον προηγούμενο επιταχυντή του CERΝ, τον LEP (συγκρουστήρας ηλεκτρονίων-ποσιτρονίων) 37

38 Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ 38

39 Οι διασπάσεις του Z Z e+ e- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο Z µ+ µ- μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ Z qq quark (αδρόνια) Z νν νετρίνο-αντινετρίνο Θα δούμε πώς ταυτοποιούμε τις διασπάσεις αυτές (για να μετρήσουμε την πιθανότητά τους να συμβούν) 39

40 Η ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια 40

41 Z e+ e- (1) Ανιχνευτές ιχνών - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 41

42 Z e+ e- (2) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Ανιχνευτές ιχνών - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 42

43 Z e+ e- (3) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Μεγάλη απόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο/καλορίμετρο Ανιχνευτές ιχνών - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων e 43

44 Z e+ e- (4) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Μεγάλη απόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο/καλορίμετρο Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Το μέγεθος της στήλης είναι ανάλογο της ενέργειας που αποτέθηκε στα καλορίμετρα 44

45 Z μ+ μ- (1) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Ανιχνευτές ιχνών - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 45

46 Z μ+ μ- (2) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Ίχνη διέλευσης σωματιδίων και στους ανιχνευτές μιονίων μ Ανιχνευτές ιχνών - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων μ 46

47 Z μ+ μ- (3) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Ίχνη διέλευσης σωματιδίων και στους ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 47

48 Z νν Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e- νe νμ ή μ- νe νμ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) νμ e- νe νμ ή μ- νe νμ Z qq ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) νμ quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z νν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος αόρατα για τον ανιχνευτή δεν βλέπουμε ενέργεια στον ανιχνευτή. 48

49 Z qq Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e- νe νμ ή μ- νe νμ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) νμ e- νe νμ ή μ- νe νμ Z qq ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) νμ quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων ( jet ) με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Πίδακας αδρονίων ( jet ) με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z νν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος αόρατα για τον ανιχνευτή! 49

50 Z qq (1) 2-3 πίδακες ( jets ) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ Ανιχνευτές ιχνών - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 50

51 Z qq (2) 2-3 πίδακες ( jets ) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο από φορτισμένα σωμάτια ή όχι (π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα Ανιχνευτές ιχνών jet - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων jet 51

52 Z qq (2 πίδακες) 2 πίδακες( jets ) σωματιδίων ~180 ο ένας από τον άλλο ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο (από φορτισμένα σωμάτια ή όχι, π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα 52

53 Z qq (3 πίδακες) 3 πίδακες( jets ) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο από φορτισμένα σωμάτια ή όχι (π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα 53

54 Z τ τ (1) + - Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e- νe ντ ή μ- νμ ντ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ντ e- νe ντ ή μ- νμ ντ Z qq ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ντ quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z νν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος αόρατα για τον ανιχνευτή! 54

55 Z τ τ (2) + - Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e- νe ντ ή μ- νμ ντ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ντ e- νe ντ ή μ- νμ ντ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ντ q q quark (αδρόνια) το ένα από το άλλο ΤαZ τ διασπόνται ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια 1) Αλλά πάντα έχουν αρκετά νετρίνα ως προϊόντα νθα πάντα πολύ ενέργεια (> 60 %) Z ν μας λείπει νετρίνο-αντινετρίνο 3) Αν έχουμε αδρονικούς έχουν Δεν αφήνουν ίχνος πίδακες, αόρατα αυτοί για τονθα ανιχνευτή! λίγα σωματίδια 55

56 Z τ τ (3) σωματίδια, ΟΧΙ σε ~180 το ένα από το άλλο Έχουμε πολλά νετρίνα: μας λείπει αρκετή ενέργεια τ μ+ν+ν Ανιχνευτές ιχνών - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων τ e+ν+ν 56

57 Z τ τ 2 μ + νετρίνα + - Δύο μιόνια, όχι σε γωνία 180 μεταξύ τους και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 57

58 Z τ τ 2 e + νετρίνα + - Δύο ηλεκτρόνια και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 58

59 Z τ τ 2 πίδακες+ νετρίνα + - Δύο πίδακες σωματιδίων (με 3 φορτισμένα ο καθένας) και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 59

60 Μονάδες Πολλαπλασιαστικές μονάδες: για χρονο (s), μήκος (m), ενεέργεια (ev) P (peta) 1015 T (tera) 1012 G (giga) 109 M (mega) 106 k (kilo) m (mili) 10 3 μ (micro) 10 6 n (nano) 10 9 p (pico) f (fempto)

61 Κινηματική Ορίζουμε το τετρα-διάνυσμα (p) της ορμής ενός σωματιδίου: p = (E, p) Όπου p είναι το τετραδυάνυσμα, Ε η ενέργεια, και p η τρισ-διάστατη ορμή (px, py, pz) Ο πολλαπλασισμός δύο τετραδιάστατων ορμών είναι αναλοίωτος ως προς το σύστημα αναφοράς και ορίζεται p1 p2 = E1 Ε2 p1 p2 = σταθερό = ανεξάρτητα του συστήματος αναφοράς Για ένα σωματίδιο: p2 = E2 p2 = m2 = σταθερά = η μάζα του ( μάζα ηρεμίας ) 61

62 Κινηματική παράδειγμα μέτρησης μάζας και χρόνου ζωής Κ0s π+ π- π+ Κ0s L θ - π p1 p2 Το Κ0 έχει χρόνο ζωής 0.89x10-10 s. Από τη στιγμή που δημιουργείται, ταξιδεύει λοιπόν για απόσταση L και πεθαίνει δίνοτας τη θέση του σε δύο πιόνια. Μετράμε τα μέτρα των ορμών των πιονίων p1, p2 και τη μεταξύ τους γωνία, θ. Αν p1 = 367 MeV, p2 = 594 MeV, mπ = 140 MeV και θ= degrees, πόση μάζα μετράμε για το καόνιο; Άλλο πείραμα τώρα: Αν σε πολλά γεγονότα σαν το πιό πάνω, μετράμε πάντα την ενέργεια του Κ0s στα 10 GeV, και τη μέση τιμή του L να είναι L = 0.933m, τότε πόσoς είναι ο χρόνος ζωής το καονίου που μετράμε; Απαντήσεις: 62

63 Κινηματική Μεταφορά από ένα σύστημα σ'ένα άλλο: Πώς αλλάζει η ενέργεια, πώς αλλάζει η ορμή; Σε συγηρούσεις, υπολογισμός Ενέργειας στο κέντρο μάζας ECM = ενέργεια διαθέσιμη για δημιουργία σωματιδίων Απαντήσεις: Η αρχή του κεφαλαίου της κινηματικής στo PDG έχει έναν ικανοποιητικό τρόπο προσέγγισης 63

64 Τι συζητήσαμε σήμερα Πειραματικές διατάξεις Ιχνηλασία και Καλοριμετρία Αλληλεπίδραση σωματιδίων με την ύλη Ακρίβεια μέτρησης ορμής/ενέργειας με κάθε τεχνική Διάφορες μετρήσεις Πιθανότητα διακλάδωσης (Branching Ratio) Μάζα Χρόνος ζωής =Lifetime (από decay length) Κινηματική και μονάδες 64

65 Επόμενο: Κινηματική Σκέδαση Ελαστική και ανελαστική Ενεργός διατομή σκεδάσεων 65