Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 2β: Πειράματα-Ανιχνευτές (α' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 9 Μαρτίου 2010
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 Παράδειγμα: πώς μπορούμε να ξεχωρίσουμε τους διάφορους τρόπους διάσπασης του μποζονίου Ζ 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, 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! 8
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) 9
Αλληλεπίδραση σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια 10
Αλληλεπίδραση διαφόρων σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Η θέση των διαφόρων τύπων ανιχνευτών σ' ένα πείραμα συγκρουόμενων δεσμών 11
Πειραματικές διατάξεις σε επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών - e + e 12
Χρειαζόμαστε μεγάλους ανιχνευτές 43 m 22 m 7000 T (όσο ζυγίζει το σίδηρο στον πύργο του Eiffel) 13 T. Virdee, ICHEP08 13
ATLAS 22 μέτρα, 7000 τόνοι 14
ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό) 15
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 16
CMS 15 μέτρα, 12000 τόνοι (λίγο περισσότερο από το συνολικό βάρος του πύργου του Eiffel) 17
CMS Όχι μόνο σιδερικά, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια 18
Στο LHC χρειαζόμαστε ανιχνευτές που.. 7x10 12 ev 10 34 cm -2 s-1 2835 10 11 Beam Energy Luminosity Bunches/Beam Protons/Bunch 7.5 µ (25 νσ) Bunch Crossing Proton Collisions 7 TeV Proton Proton colliding beams 4 10 7 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 100-200 ανά δεπτερόλεπτο * και να τις καταγράφουν με διακριτική ικανότητα φωτοφραφικής μηχανής των 100 Μεγα pixleς. 19
Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των καλύτερων 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο 20
Το online σύστημα επιλογής πρέπει να είναι έξυπνο και γρήγορο 21
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 22
Παράδειγμα ανίχνευσης σωματιδίων Το μποζόνιο Ζ και η ανίχνευσή του στον προηγούμενο επιταχυντή του CERΝ, τον LEP (συγκρουστήρας ηλεκτρονίων-ποσιτρονίων) 23
Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ 24
Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ 25
Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ 26
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) 27
Η ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια 28
Z e+ e- (1) - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 29
Z e+ e- (2) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 30
Z e+ e- (3) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Μεγάλη απόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο/καλορίμετρο - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων e 31
Z e+ e- (4) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Μεγάλη απόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο/καλορίμετρο Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Το μέγεθος της στήλης είναι ανάλογο της ενέργειας που αποτέθηκε στα καλορίμετρα 32
Z μ+ μ- (1) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 33
Z μ+ μ- (2) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Ίχνη διέλευσης σωματιδίων και στους ανιχνευτές μιονίων μ - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων μ 34
Z μ+ μ- (3) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Ίχνη διέλευσης σωματιδίων και στους ανιχνευτές μιονίων Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 35
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. 36
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! 37
Z qq (1) 2-3 πίδακες ( jets ) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 38
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 jet - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων jet 39
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 40
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 41
Z τ τ (1) + - Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι ασταθή 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! 42
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 43
Z τ τ (3) + - 2 σωματίδια, ΟΧΙ σε ~180 το ένα από το άλλο Έχουμε πολλά νετρίνα: μας λείπει αρκετή ενέργεια τ μ+ν+ν - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων τ e+ν+ν 44
Z τ τ 2 μ + νετρίνα + - Δύο μιόνια, όχι σε γωνία 180 μεταξύ τους και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 45
Z τ τ 2 e + νετρίνα + - Δύο ηλεκτρόνια και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 46
Z τ τ 2 πίδακες+ νετρίνα + - Δύο πίδακες σωματιδίων (με 3 φορτισμένα ο καθένας) και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 47
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 Παράδειγμα: πώς μπορούμε να ξεχωρίσουμε τους διάφορους τρόπους διάσπασης του μποζονίου Ζ Z e+e- ή µ+µ- ή τ+τ- ή qq ή νν 48
Επόμενο: Ανιχνευτικές Διατάξεις (Detectors) Μέρος Β' - αρχές λειτουργίας 49