Detektorok. Fodor Zoltán. MTA Wigner FK RMI. Hungarian Teachers Programme 2012



Hasonló dokumentumok
Detektorok. Fodor Zoltán. Wigner fizikai Kutatóközpont. Hungarian Teachers Programme 2015

Detektorok. Fodor Zoltán MTA-KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézete. Hungarian Teachers Programme 2010 CERN

Detektorok. Siklér Ferenc MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet Budapest

Részecske azonosítás kísérleti módszerei

Fodor Zoltán KFKI-Részecske és Magfizikai Aug. 17, HTP-2007 Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába 1

Megmérjük a láthatatlant

A részecskefizika kísérleti eszközei

Bevezetés a nehéz-ion fizikába

Részecske- és magfizikai detektorok. Atommag és részecskefizika 9. előadás május 3.

ALICE: az Univerzum ősanyaga földi laboratóriumban. CERN20, MTA Budapest, október 3.

Nehézion ütközések az európai Szupergyorsítóban

Félvezető- és gáztöltésű detektorok. Kiss Gábor november 4.

Theory hungarian (Hungary)

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Vastag GEM alapú trigger detektor fejlesztése az LHC ALICE kísérlethez

Mikrofizika egy óriási gyorsítón: a Nagy Hadron-ütköztető

Az expanziós ködkamra

Compton-effektus ( cos. Szóródás elektronon A foton energiája csökken, iránya változik. Az impulzus és energia megmaradásából: γ = m c.

Innovatív gáztöltésű részecskedetektorok

Kísérleti és elméleti TDK a nagyenergiás magfizikai területein

az LHC ALICE Lévai P. az MTA KFKI RMKI csoport nevében

A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

Z bozonok az LHC nehézion programjában

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

A részecskefizika eszköztára: felfedezések és detektorok

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

Töltött részecske multiplicitás analízise 14 TeV-es p+p ütközésekben

-A homogén detektorok közül a gyakorlatban a Si és a Ge egykristályból készültek a legelterjedtebbek.

REGaRD: Gáztöltésű részecskedetektor fejlesztés ELTE Wigner FK CERN együttműködésben

Határtalan neutrínók

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

A CERN, az LHC és a vadászat a Higgs bozon után. Genf

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Neutrinódetektorok és részecske-asztrofizikai alkalmazásaik

Részecskefizikai gyorsítók

A TÖMEGSPEKTROMETRIA ALAPJAI

Indul az LHC: a kísérletek

A tau lepton felfedezése

11. tétel - Elektromágneses sugárzás és ionizáló sugárzás kölcsönhatása kondenzált anyaggal, áthatolóképesség, záporjelenségek.

A legkisebb részecskék a világ legnagyobb gyorsítójában

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 23. MRF2 Kvarkok, neutrínók

Részecskegyorsítók. Barna Dániel. University of Tokyo Wigner Fizikai Kutatóközpont

CMS Pixel Detektor működése

A Lederman-Steinberger-Schwartz-f ele k et neutrn o ks erlet

REGaRD: Gáztöltésű részecskedetektor fejlesztés ELTE Wigner FK CERN RD51 együttműködésben

Kozmikus sugárzás a laborban...?

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by OTKA MB augusztus 16. Hungarian Teacher Program, CERN 1

Modern fizika vegyes tesztek

A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A béta-sugárzás és anyag kölcsönhatása

CERN-i látogatás. A mágnesgyár az a hely,ahol a mágneseket tesztelik és nem igazán gyártják őket. Itt magyarázták el nekünk a gyorsító alkotórészeit.

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Tartalomjegyzék. Komplex detektorrendszerek, hardver, szoftver, egy korszer detektorrendszer ismertetése

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Bevezetés a részecske fizikába

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

NAGY Elemér Centre de Physique des Particules de Marseille

3. GAMMA-SUGÁRZÁS ENERGIÁJÁNAK MÉRÉSE GAMMA-SPEKTROMETRIAI MÓDSZERREL

A nagy hadron-ütköztető (LHC) és kísérletei

A Nukleáris Medicina alapjai

Pásztázó elektronmikroszkóp. Alapelv. Szinkron pásztázás

vizsgálata Hamar Gergő Fizika Doktori Iskola Részecskefizika és Csillagászat Program Dr. Varga Dezső MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Budapest, 2014.

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Rádl Attila december 11. Rádl Attila Spalláció december / 21

Modern fizika laboratórium

Az ALICE és a REGARD kollaborációk

Mikrostruktúrás gáztöltésű detektorok vizsgálata. Szakdolgozat

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal


Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

Magspektroszkópiai gyakorlatok

Radioaktivitás és mikrorészecskék felfedezése

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

Magyarok a CMS-kísérletben

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 24. MRF2 Kvarkok, neutrínók

Abszolút és relatív aktivitás mérése

Antiprotonok a CERN-ben

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Időprojekciós kamra prototípusának építése a CERN NA61 kísérlethez

PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS A GEOKÉMIÁBAN I. rész

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós


1. mérési gyakorlat: Radioaktív izotópok sugárzásának vizsgálata

Bemutatkozik a CERN Fodor Zoltán

Energia-diszperzív röntgen elemanalízis

Hogyan mérünk neutrínó-sebességet?

Radioaktív sugárzás elnyelődésének vizsgálata

Bevezetés a részecskefizikába

Hadronok, atommagok, kvarkok

Az LHC kísérleteinek kezdete

Nehézion-ütköztetők, részecskegyorsítók

Nyomkövető detektorok a részecskefizikától a vulkanológiáig

Általános Kémia, BMEVESAA101

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Az LHC kísérleteinek helyzete

A CERN bemutatása. Horváth Dezső MTA KFKI RMKI és ATOMKI Hungarian Teachers Programme, 2011

Átírás:

Detektorok Fodor Zoltán MTA Wigner FK RMI Hungarian Teachers Programme 2012

Mi is a kisérleti fizika HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 2 A természetben is lejátszodó eseményeket ismételjük meg kontrolált módon, hogy meg tudjuk figyelni Mi kell hozzá: Gyorsítók, amelyik a vizsgálandó részecskéknek elegendő energiát adnak. Detektorok, amelyekkel megfigyeljük, hogy mi is történt, ezek a mini világ mikroszkópjai. A CERN-ben ezeket találjuk meg: Gyorsító komplexumot és Detektorokat

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: NA61/SHINE, COMPASS Magyar részvétellel 2012-08-13 HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 3

Nyaláb 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 kísérletek főbb részei A mért adatokból /feszültség, áram, töltés idő,../ meghatározza a detektált részecskék tulajdonságait, majd azokból további mennyiségeket származtat és analizálja azokat. 2012-08-13 HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 4

Mérendő mennyiségek HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 5 Minden keletkező részecskére kilépési iránya tömege töltése sebessége energiája bizonyos esetekben a hiányzó energia Használt mennyiségek lendület: p = m. v, egysége GeV/c mágneses térben való eltérülésnél ez határozza meg a görbületet relativisztikus energia egysége: GeV tömeg: GeV/c 2

Detektálás alapvető kölcsönhatásai HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 6 Töltött részecskék esetén felhasznált folyamatok: Ionizáció Cserenkov sugárzás Határátmeneti sugárzás Reakciókban keletkezett termékek Semleges részecskék esetén: g 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 Neutrínó az elektronnal való kölcsönhatásban keletkező töltött részecskék detektálásával.

Detektorok fejlődése HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 7 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/

HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 8 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 Félvezető alapú detektorok Pixel vagy csík detektorok Szcintillációs detektorok A gerjesztett vagy ionizált atomok legerjesztődésénél keletkezett fényt mérjük meg. Kaloriméterek A beeső részecske energiájával arányos másodlagos részecskét keltenek és a jel arányos ezzel a számmal

1970, buborék kamra HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 9 16 GeV p - nyaláb, folyékony hidrogén buborékkamrás felvétel Az - részecske keltése és bomlása, buborékkamrás felvételen

Szikrakamrás felfétel HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 10 6400 GeV energiájú kénmagok arany céltárgyon

HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 11 Mért pontok Illesztett nyomok a céltárgyból Semleges bomlásból Háttér, nem az eseményhey tartozó

TPC-vel mért esemény HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 12 NA49-es esemény képe 1996

Ionizációs kamra HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 13 - Elsődleges ionizáció ~100 e/cm A mért tőltés arányos az elsődleges ionizációval A jel kicsi, nagy elektromos erősítés szükséges

Proporcionális kamra HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 14 - + Elsődleges ionizáció ~100 e/cm Gázsokszorozás a szálon ~10 5 Jelek mérése a szálakon történik -

Time projection kamra (TPC) HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 15 - Elsődleges ionizáció ~100 e/cm Gázsokszorozás a szálon ~10 5 Mérés a kiolvasó lapkában indukált jellel A kiolvasó lapka helye ad 2 koordinátát Vándorlási idő méréséből a 3. koordináta + -

Si alapú félvezető detektorok HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 16 Nagyfelbontású vertex és nyomkövető detektorokhoz Anyagok: szilícium, germánium, gallium-arzenid, gyémánt Kis sűrűsége és kis ionizálása miatt megfelelő nagyságú jelek 100-300 μm vastagsággal elérhetők, gyors jelek O(10 ns) Dióda p n átmenettel, inverz kapcsolásban

HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 17 5, 9 és 12 cm sugár, 3 henger és 3 körlap 80 millió pixel

HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 18 Pixel/drift/strip detektor (SPD, SDD, SSD)

HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 19 Katód-csík kamra (CSC) Töltött részecske ionizál Lavina az anódszálak körül Indukált töltéses a katódon CMS

Resistive Plate Chamber (RPC) HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 20 Jó helyfelbontás és jó időfelbontás Hely és idő együttes mérése, nyomkövetés, pl müonok Nincsenek benne drótok, egyszerű megépíteni

Gáz elektronsokszorozó(gem) HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 21 Vékony polimer lap (50-70 μm), mindkét oldalán réz bevonattal Nagy elektromos tér a lyukakban (30-50 μm), lavina 100-1000-szeres erősítés, az elektronokat kilövi

GEM-ek a TOTEM detektorban HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 22

Cserenkov detektor HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 23 Szög q c = arccos(1/nb), küszöbsebesség b t = 1/n Elemek: a sugárzó, melyen a töltött részecske áthalad, valamint a fotodetektor Küszöbdetektorok: igen/nem válasz, a részecske a b t = 1/n küszöb felett? Képalkotó detektorok: pl Ring-Imaging Cherenkov (RICH)

Átmeneti sugárzás det. (TRD) HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 24 A részecske két különböző anyag (vákuum és anyag) közti határon halad át A kisugárzott energia I ~ z 2 gw 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

Elektromágneses kalóriméter (ECAL) HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 25 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

Repülési idő mérése (TOF) HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 26 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 60-80 ps, az egyik rendszert a KFKI készítette és ezért BUDAFAL a neve.

Hadron kalóriméter HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 27 Többféle lehetőség (ólom lapok + szcintillátor, vas + kvarc szálak) Hosszanti energia leadás eloszlása: két komponens Éles csúcs az első kölcsönhatás pontja körül (az ott keltett p 0 k miatt) Lassabb az alacsony energiás hadronikus összetevő

Mágnesek HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 28 Szolenoid, vagy szolenoid + toroid ATLAS Szilícium nyomkövető: pixelek és csíkok Elektromágneses és hadronikus kaloriméterek, müon kamrák

CMS HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 29 Szilícium nyomkövető: pixelek és csíkok Elektromágneses és hadronikus kaloriméterek, müon kamrák

CMS esemény HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 30

TOTEM HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 31

Szolenoid mágnes 0.5 T Kozmikus sugárzás trigger Forward detectorok PMD FMD, T0, V0, ZDC Specializált detektorok HMPID PHOS Point 2 2012-08-13 Központi nyomkövető rendszer MUON Spektrométer ITS elnyelő anyagok TPC nyomkövető állomások TRD trigger kamrák TOF dipól mágnes HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 32

Részecske azonosítás HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 33

VHMPID HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 34 VHMPID: Very High Momentum Particle Identification Detector A nagyimpulzusú részecskéket tartalmazó események ritkák: trigger szükséges! Így csak érdekes eseményeket írunk ki szalagra! A Bp ALICE csoport építi a VHMPID triggerdetektorát (HPTD).

VHMPID HPTD HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 35 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!

A SHINE (NA61)-es kisérlet HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 36 nagy térszögű hadron spektométer a CERN-SPS-nél Az előremenő teljes térszög le lett fedve ebből: (y,p t )-spektrum 4p yields Dipol mágnesek impulzus mérésre beam részecske azonosítás de/dx (3-6% felbontás.) TOF (60 ps res.) a középponti energia 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

HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 37

HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 38

HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 39 Budafal

Részecske azonosítás Görbület méréséből q. m. v Fajlagos energia veszteségből q 2.v Repülési idő méréséből v 2012-08-13 HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 40

Részecske azonosítás HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 41 momentum de/dx

K s 0 és 0 analizis HTP 2012 Detektorok, Fodor Zoltán 42 Azonosítás a bomlás topológiája alapján (lásd az 1970-es felvételt) rapiditás [-0.5, 0.5], centralitás: 0-23.5 % Háttér a hasonló nyomokból Háttér a hasonló nyomokból