'

Детекторы элементарных частиц (введение)

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

Детекторы элементарных частиц (введение) Ваня Беляев ( ЦЕРН/Женева и ИТЭФ/Москва)


Слайд 1

Детекторы частиц Предмет сам по себе очень сложный Непростые физические эффекты Сложные инженерные решения У нас есть всего 45 минут В ведущих вузах (МФТИ/МИФИ/МГУ/НГУ) основы предмета изучаются в течении как минимум двух семестров Некие упрощения неизбежны Ко многим утверждениям можно найти хотя бы одно исключение 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 2


Слайд 2

Частицы Регистрируемые непосредственно («долгоживущие») Заряженные: Электрон, протон мюоны, p± и К±-мезоны Нейтральные: фотоны /гамма-кванты Реконструируемые по их распадам («короткоживущие») 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 3 Частицы, живущие достаточно долго, чтобы оставлять след кторый можно наблюдать/измерять непосредственн след, («трек») Упрощение: граница между этими категориями не такая четкая


Слайд 3

Детекторы частиц вокруг нас Детектор (низкоэнергичных) электронов Экран ЭЛТ («старого») телевизора, осциллографа, … Детектор (низкоэнергичных) фотонов Фотоплёнка, фотопластинки Цифровые видео и фотокамеры: ПЗС-матрица 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 4 Исторически первый


Слайд 4

Числа и единицы измерений Энергия: электрон-вольты, килоэлектрон вольты, …, Тераэлектронвольты 1 эВ = 1.6?10-19 Дж Энергия которую приобретает электрон пройдя разность потенциалов в 1 вольт Энергия связи электронов в атоме: O(13.6эВ) Энергия протона в LHC: 3.5 ТэВ ? 1.6?10-19 Дж/эВ = 5.6 ?10-7 Дж 10 11 протонов в банче: 56 кДж = 13.3ккал 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 5


Слайд 5

Как регистрировать частицы? «Типичные» энергии очень малы по сравнению с макроскопическими размерами Надо использовать физические эффекты которые очень чувствительны к малым возмущениям Основной принцип до конца 70х годов XX века Прогресс в развитии современной электроники позволяет усилить слабые сигналы 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 6


Слайд 6

Неустойчивое равновесие Система, наиболее чувствительная к малым внешним равновесиям – это система в состоянии неустойчивого равновесия Макроскопическая система может быть чувствительной к микроскопическим воздействиям 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 7


Слайд 7

Перегретая жидкость Простой домашний опыт Очень чистая вода (например много раз кипяченая) Очень чистая ровная посуда с ровным гладким дном и стенками (например химическая колба) Очень осторожный равномерный нагрев Вода не закипает! Мгновенно и бурно вскипает если бросить туда что-нибудь мелкое… или просто потрясти Малое возмущение приводит к большим качественным изменениям в системе 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 8


Слайд 8

Пузырьковая камера Перегретая жидкость: часто жидкий водород Когда через жидкость проходит заряженная частица (малое воздействие), жидкость вскипает вдоль ее движения, образуя слез из мельчайших пузырьков, которые можно сфотографировать 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 9


Слайд 9

Пузырьковые камеры Изобретена Дональдом Глейзером (1952 год) Нобелевская премия 1960 год Можно «глазом» видеть частицы Миллионы фотографий… Разные жидкости: водород, дейтерий, пропан, ксенон, … В реальности не нагревают, а изменяют давление.. «Золотой век» «Гаргамель» 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 10


Слайд 10

Gargamel 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 11 Пузырьковая камера Гаргамель. ЦЕРН 1970-1978 2?4 метра 12 м3 фреона Одно из наиболее важных открытий в ЦЕРН: 1973 год


Слайд 11

Переохлажденный пар Еще одна система с неустойчивым равновесием Конденсация перенасыщенного пара Образование капелек конденсата («тумана») вдоль движения заряженной частицы «туманная камера Вильсона» Изобретена Чарльзом Вильсоном в начале XX века 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 12


Слайд 12

Счетчик Гейгера Заряженный конденсатор на грани пробоя Разряд/пробой когда проходит частица Используется в дозиметрах Изобретен Гансом Гейгером в 1908 году 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 13


Слайд 13

(Опыт Резерфорда) Знаменитый опыт Резерфорда, который показал что атом имеет тяжелое и очень компактное ядро 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 14 Гейгер


Слайд 14

Как происходит взаимодействие частиц с веществом? Все заряженные частицы: Ионизация вещества Тормозное излучение особенно e- и e+ Черенковское излучение Переходное излучение Адроны: неупругие ядерные процессы, Фотоны Фотоэффект Комптоновское рассеяние Рождение e+e- пар в поле ядра 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 15


Слайд 15

Ионизационные потери b = v/c МэВ см2/г Пропорционально плотности электронов в веществе Слабо зависит от вещества «2 МэВа на грамм» 4 для водорода 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 16


Слайд 16

Тормозное излучение В электрическом поле ядра быстрая заряженная частица излучает фотоны Эффект очень важен для e- и e+ (не очень важен для других частиц) Растет линейно с энергией Есть «критическая энергия» (5-10 МэВ), при больших энергиях эффект доминирует при меньших доминирует ионизационные потери 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 17


Слайд 17

Фотоны Фотоэффект Важен когда энергия фотона сравнима с энергией связи электрона в атоме Комптон-эффект Рождение пар в поле ядра Доминирующий эффект при больших энергиях А что случается дальше с e+ и e- ? Предыдущий слайд ( и снова этот…) Размножение частиц Ливень 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 18


Слайд 18

Ливни Высокоэнергичные фотоны рождают (высокоэнергичные) пары Высокоэнергичные e- (и e+) излучают (высокоэнергичные) фотоны … … Процесс размножения продолжается пока энергия достаточно велика Е > Eкрит По закону сохранения энергии: N ? E0/Eкрит ~тысячи частиц при начальной энергии E0 больше чем 1 ГэВ 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 19


Слайд 19

Адронные ливни Похожим образом при больших энергиях взаимодействуют с ядрами адроны с выделением ядерных осколков и других адронов Физика довольно сложна Внутри ливня появляются также фотоны и электроны, рождая электромагнитные ливни Размножение пока энергия частиц в ливне достаточно большая > ГэВ 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 20


Слайд 20

А что происходит с энергией выделенной в веществе? Сцинтилляторы – вещества в которых возбуждение снимается излучением видимого света… Прозрачные (неорганические) кристаллы Многие пластики, огрстекло,… Количество света пропорционально энергии выделенной в куске сцинтиллятора В случае ливней при очень большом куске вещества – пропорционально энергии частицы «калориметр» Возможность измерить энергию ливневой частицы! Вспышки обычно очень слабые и для детектирования требуют использования фотоумножителей 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 21


Слайд 21

Что мы регистрировали в пузырьковой камере? Трек частицы вызван ионизационными потерями. Именно ионизационные потери в среде, ведущие к образованию пар электрон-ион, служат «спусковыми крючками» для выхода системы из состояния неустойчивого равновесия 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 22


Слайд 22

Другие подходы? Со временем (развитием электроники, увеличения чувствительности аппаратуры и уменьшения всевозможных шумов) необходимость использования принципа неустойчивого равновесия для детектирования частиц стала уменьшаться. 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 23


Слайд 23

Газовое усиление Электроны дрейфуют к тонкой проволочке Электрическое поле вблизи проволочки очень большое Размножение «Газовое усиление» Усиление сигнала зависит от многих параметров: напряжения, диаметра проволочки, газовой смеси Малое усиление: (слабый) сигнал пропорционален ионизации Слишком большое усиление: (сигнал большой) счетчик Гейгера 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 24


Слайд 24

Время дрейфа Электроны дрейфуют к тонкой проволочке Скорость около 50км/с Измеряя время прихода сигнала можно рассчитать расстояние и узнать где проходила частица «Дрейфовые трубки» «Соломенные трубки» , часто длинные и тонкие как соломинки для коктейлей: LHCb: десятки тысяч трубок длиной около 3 метров и толщиной 5мм 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 25


Слайд 25

А нужны ли трубки? Дрейфовая камера 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 26


Слайд 26

Время-проекционная камера Настоящая 3Д картинка Сердце детектора ALICE 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 27


Слайд 27

Твердотельные детекторы Ионизация в газах: 300 ионов на см Пропорциональна плотности! В твердых телах начальная ионизация заметно больше (103) «Начальный» сигнал заметно больше более компактный детектор Еще больше сигнал в полупроводниках (~10) «Электрон + Дырка» вместо «Электрон + Ион» Нет газового усиления ? Нужна чувствительная и малошумящая электроника 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 28


Слайд 28

Полупроводниковые детекторы Сердца современных детекторов Типичные точности 5-50 мкм Типичные геометрии Полоски «стрипы» Короткие полоски микрострипы «стриксели» Прямоугольники «пиксели» Много (десятков) миллионов каналов считывания, самые современные технологии 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 29


Слайд 29

Иногда сердце очень большое 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 30 Внутренний детектор эксперимента ATLAS > 108 каналов, > 60м2 полупроводниковых детекторов


Слайд 30

Большое сердце-II 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 31 Внутренняя часть детектора CMS 65?106 каналов


Слайд 31

Черенковское излучение Когда заряженная частица движется в среде со скоростью больше скорости света в среде (но меньше скорости света в вакууме) Конус черенковского света cos q = 1/(nb) Зная раствор конуса – измеряем скорость Если отразить в сферическом зеркале – изображение этого конуса будет представлять собой окружность Радиус связан с углом q Измеряем скорость Зная импульс частицы, измеряем массу 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 32


Слайд 32

Детектор черенковских колец Важный элемент экспериемнта LHCb Уникальный для LHC Позволяет различать заряженные частицы, в частности отличать каоны от пионов Открывает массу интересных возможностей Ввв 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 33


Слайд 33

А как же мюоны? Мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях Нет адронных ливней Для мюонов не слишком больших энергий (меньше десятков ГэВ) тормозное излучение не приводит к большим потерям энергии Нет электромагнитных ливней Теряют энергию главным образом только за счет ионизации вещества! Большая проникающая способность «2 МэВа на грамм» Плотность железа ~8г/см3 Потеря энергии: 16 МэВ на сантиметр толщины железа 16 ГэВ мюон спокойно пройдет через несколько метров железа 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 34


Слайд 34

Детекторы мюонов Мюонные детекторы обычно самые делекие от точки взаимодействия. Включают много тяжёлого материала: железо, железобетон Часто самые тяжелые (по массе) элементы эксперимента Часто совмещены с ярмом магнита Обычно самые внешние и самые видимые Часто только их и видно… 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 35


Слайд 35

LHCb 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 36


Слайд 36

ATLAS 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 37


Слайд 37

CMS 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 38


Слайд 38

Вместо заключения Большое спасибо за внимание Вопросы? 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 39 Я должен еще раз извиниться за слишком большие упрощения


×

HTML:





Ссылка: