Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Χ. Πετρίδου, Κ. Κορδάς Μάθημα 2β: Πειράματα-Ανιχνευτές Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 28 Φεβρουαρίου 2013
Τι θα συζητήσουμε Σχηματικά: Μέτρηση ορμής και ενέργειας σωματιδίων Διατάξη ανιχνευτών για την ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων Πειραματικές διατάξεις σε κυκλικούς επιταχυντές Τα μάτια που βλέπουν τι παράγεται στις συγκρούσεις σωματιδίων γενικά χαρακτηριστικά και διάταξη ανιχνευτών 2
Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων Πολύπλοκα πειράματα Συνέργεια πολλών: Δέσμες σωματιδίων Επιταχυντές δεσμών Σωματιδίων Ανιχνευτές Ηλεκτρονικά Ανιχνευτική Διάταξη Υπολογιστές Συλλογή Δεδομένων Πειράματα στο CERN: πειράματα στο LEP: Ανάλυση Δεδομένων > 300 άτομα πειράματα στο LHC: > 2000 άτομα (φυσικοί, μηχανικοί, τεχνικοί) Φυσική - Νέα Γνώση 3
Για να μάθουμε κάτι από τις συγκρούσεις που παρέχει ο επιταχυντής, Χρειαζόμαστε Ανιχνευτές Σκοπός: - Να μετρήσουμε την ενέργεια και την ορμή των σωματιδίων που παράγονται στις συγκρούσεις - Να ταυτοποιήσουμε το είδος των σωματιδίων Αλλα πώς; 4
Ανίχνευση σωματιδίων Η ανίχνευση των σωματιδίων βασίζεται στην αλληλεπίδρασή τους με την ύλη που διασχίζουν Φωτογραφικές πλάκες: οι πρώτοι ανιχνευτές σωματιδίων 5
Ιχνηλασία ( tracking ) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό) + HV - Φορτισμένο σωματίδιο - + - + - + - + Παλμός ρεύματος 6
Ιχνηλασία ( tracking ) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό) Φορτισμένο σωματίδιο + - + - + - + - + HV + HV - + - + - + - + 7
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, B F άρα: F = p v / R 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! 8
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 9
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) 10
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. 11
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. 12
Όλα μαζί σ' έναν ανιχνευτή 13
Αλληλεπίδραση σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια 14
Αλληλεπίδραση διαφόρων σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Η θέση των διαφόρων τύπων ανιχνευτών σ' ένα πείραμα συγκρουόμενων δεσμών 15
Πειραματικές διατάξεις σε επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών - e + e 16
Χρειαζόμαστε μεγάλους ανιχνευτές 43 m 22 m 7000 T (όσο ζυγίζει το σίδηρο στον πύργο του Eiffel) 17 T. Virdee, ICHEP08 17
ATLAS 22 μέτρα, 7000 τόνοι 18
ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό) 19
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 20
CMS 15 μέτρα, 12000 τόνοι (λίγο περισσότερο από το συνολικό βάρος του πύργου του Eiffel) 21
CMS Όχι μόνο σιδερικά, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια 22
Στο LHC χρειαζόμαστε ανιχνευτές που.. 7x1012 ev 1034 cm-2 s-1 2835 1011 Beam Energy Luminosity Bunches/Beam Protons/Bunch 7.5 µ (25 νσ) Bunch Crossing Proton Collisions 7 TeV Proton Proton colliding beams 4 107 Hz 109 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 100-200 ανά δεπτερόλεπτο * και να τις καταγράφουν με διακριτική ικανότητα φωτοφραφικής μηχανής των 100 Μεγα pixleς. 23
Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των καλύτερων 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο 24
Το online σύστημα επιλογής πρέπει να είναι έξυπνο και γρήγορο 25
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 26
Τι συζητήσαμε Μέτρηση ορμής και ενέργειας σωματιδίων Διατάξη ανιχνευτών για την ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων Ηλεκτρόνια και φωτόνια (σταματούν στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο) Μιόνια (διατρητικά) Νετρίνα (δεν αλληλεπιδρούν η χαμένη ενέργεια ) Αδρόνια (πίδακες σωματιδίων = jets) Πειραματικές διατάξεις σε κυκλικούς επιταχυντές 27