Experimentální metody ve fyzice vysokých energií Alice Valkárová

Podobné dokumenty
Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou?

Theory Česky (Czech Republic)

Jana Nováková Proč jet do CERNu? MFF UK

Prověřování Standardního modelu

LEPTONY. Elektrony a pozitrony a elektronová neutrina. Miony a mionová neutrina. Lepton τ a neutrino τ

Příklady Kosmické záření

Urychlovače částic principy standardních urychlovačů částic

Princip metody Transport částic Monte Carlo v praxi. Metoda Monte Carlo. pro transport částic. Václav Hanus. Koncepce informatické fyziky, FJFI ČVUT

Mezony π, mezony K, mezony η, η, bosony 1

Elementární částice. 1. Leptony 2. Baryony 3. Bosony. 4. Kvarkový model 5. Slabé interakce 6. Partonový model

Kalorimetry 10/29/2004 1

Experiment ATLAS. Shluky protiběžných částic se srážejí každých 25 ns. tj. s frekvencí. Počet kanálů detektoru je 150 mil.

zve studenty 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, (tedy všech) ročníků

Fyzika atomového jádra

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

Statický kvarkový model

Úloha č.: I Název: Studium relativistických jaderných interakcí. Identifikace částic a určování typu interakce na snímcích z bublinové komory.

Standardní model a kvark-gluonové plazma

(v zrcadle výtvarné estetiky)

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru

A Large Ion Collider Experiment

13. Spektroskopie základní pojmy

ČÁSTICOVÁ ZLATÁ LÉTA SEDMDESÁTÁ

Kosmické záření a Observatoř Pierra Augera. připravil R. Šmída

Interakce laserového impulsu s plazmatem v souvislosti s inerciální fúzí zapálenou rázovou vlnou

Měření hmoty Higgsova bosonu podle doby letu tau leptonu

Za hranice současné fyziky

Scintilace. Co zachytí oko? Pokud během 1/10 s nejméně 15 fotonů. Jedna z nejstarších detekčních metod (Rutherford a ZnS)

Fyzika atomového jádra

Jak můžeme vidět částice?

Šíření tepla. Obecnéprincipy

Alexander Kupčo. kupco/qcd/ telefon:

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru

Stručný úvod do spektroskopie

Objev gama záření z galaxie NGC 253

Lineární urychlovače. Jan Pipek Dostupné na

Standardní model částic a jejich interakcí

Kalorimetr Tilecal a rekonstrukce signálu. Seminář FzÚ, Tomáš Davídek, ÚČJF MFF UK 1

Urychlené částice z pohledu sluneční rentgenové emise Brzdné záření

Podivnosti na LHC. Abstrakt

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Pozitron teoretická předpověď

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

ČÁST V F Y Z I K Á L N Í P O L E. 18. Gravitační pole 19. Elektrostatické pole 20. Elektrický proud 21. Magnetické pole 22. Elektromagnetické pole

Záření KZ. Význam. Typy netermálního záření. studium zdrojů a vlastností KZ. energetické ztráty KZ. synchrotronní. brzdné.

Studium produkce jetů v experimentu ALICE na urychlovači LHC

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Návrh stínění a témata k řešení

Studium proton-protonových srážek na RHIC

Jiří Dolejší, Olga Kotrbová, Univerzita Karlova v Praze

Životní prostředí pro přírodní vědy RNDr. Pavel PEŠAT, PhD.

Charakteristiky optického záření

FYZIKA II. Petr Praus 7. Přednáška stacionární magnetické pole náboj v magnetickém poli

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

Jak se dělajíčástice Jiří Kvita, MFF UK

IONTOVÉ ZDROJE. Účel. Požadavky. Elektronové zdroje. Iontové zdroje. Princip:

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

Fyzikální chemie Úvod do studia, základní pojmy

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

(1 + v ) (5 bodů) Pozor! Je nutné si uvědomit, že v a f mají opačný směr! Síla působí proti pohybu.

High Energy Physics Jiří Kvita, MFF UK

5 Měření absorpce ionizujícího záření v závislosti na tlaku vzduchu

Mlžnákomora. PavelMotal,SOŠaSOUKuřim Martin Veselý, FJFI ČVUT Praha

Obsah PŘEDMLUVA 11 ÚVOD 13 1 Základní pojmy a zákony teorie elektromagnetického pole 23

Magnetické vlastnosti látek (magnetik) jsou důsledkem orbitálního a rotačního pohybu elektronů. Obíhající elektrony představují elementární proudové

Základy Mössbauerovy spektroskopie. Libor Machala

Radioterapie. X31LET Lékařská technika Jan Havlík Katedra teorie obvodů

Relativistická dynamika

Měření absorbce záření gama

Hans Christian Oersted ( ) magnetická střelka se vychyluje, prochází-li blízkým vodičem proud

Urychlovače nabitých částic

ÈÁST VII - K V A N T O V Á F Y Z I K A

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

CENTRUM PODPORY PROJEKTŮ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

ELT1 - Přednáška č. 6

Polovodičové senzory. Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy

Fyzika atomového jádra (FAJ) Petr Veselý Ústav Jaderné fyziky, Česká Akademie Věd www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~vesely/faj/faj.pdf

O čem se mluví v CERNu? Martin Rybář

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Domácí úlohy ke kolokviu z předmětu Panorama fyziky II Tomáš Krajča, , Jaro 2008

Stacionární magnetické pole. Kolem trvalého magnetu existuje magnetické pole.

Studium D0 mesonu v experimentu STAR

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.1. Fyzikální princip činnosti laserů. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Fyzika elementárn (Standardní model)

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

postaven náš svět CERN

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Mgr. Jan Ptáčník. Elektrodynamika. Fyzika - kvarta! Gymnázium J. V. Jirsíka

Vzájemné silové působení

2. FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY ANALYTICKÉ METODY RBS

5 Stacionární magnetické pole HRW 28, 29(29, 30)

Měření kosmického záření

Detekce a spektrometrie neutronů

Typy interakcí. Obsah přednášky

Transkript:

Experimentální metody ve fyzice vysokých energií Alice Valkárová alice@ipnp.troja.mff.cuni.cz 10/20/2004 1

Literatura o detektorech částic Knihy: C.Grupen, Particle detectors,cambridge University Press,1996 G.Knoll, Radiation Detection and Measurement, 3 rd Edition, 2000 V.R.Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, 2nd Edition,Springer, 1994 R.S.Gilmore, Single Particle Detection and Measurement,Taylor, 1992 K.Kleinknecht, Detektoren fuer Teilchenstrahlung, 3rd Edit.Teubner, 1992 R.C.Fernow,Introduction to Experimental Particle Physics R.K.Bock et al,data Analysis Techniques for High Energy Physics Experiments F.Sauli, Instrumentation in High Energy Physics,World Scientific, 1992 10/20/2004 2

Přehledné články a ostatní Experimental Techniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editor), World Scientific,1992 Články v Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. Particle Data Book (Phys.Rev.D,Vol.54, 1996) R.Bock,A. Vasilescu, Particle Data Briefbook Databáze publikací,autorů,citací: QSPIRES: http:/www.slac.standford.edu/spires/hep/ Web of science: http://isi10.isiknowledge.com/portal.cgi/ciw.cgiczgi Detektory slovník: http://rkb.home.cern.ch/rkb/ph14pp/node1.html 10/20/2004 3

Úvod Obvykle vidíme jen konečné produkty interakce, nikoliv interakci samotnou Abychom rekonstruovali mechanismus reakce a vlastnosti produkovaných částic, vyžadujeme maximum informací o konečných produktech! 10/20/2004 4

Důležité hmotnosti/energie 1 MeV 1 TeV 1 GeV M µ =105 MeV Mp,n =1GeV M e =0.5 MeV M Z =91 GeV E LHC =14 TeV M π =140 MeV Jednotky délek: 1µm (10-6 m), na př. prostorové rozlišení detektorů 1 nm (10-9 m), vlnová délka zeleného světla λ=500 nm 1 A (10 10 m), rozměr atomu Bereme: ħ=c=1 1 fm = 1 fermi (10-15 m), rozměr protonu Jednotky času: 1µs (10-6 s), elektron driftuje v plynu asi 5 cm 1 ns (10-9 s), relativistický elektron putuje asi 30 cm 1 ps (10-12 s), střední doba života B mezonu 2 2 E p + = r velmi užitečný vztah: ħc 200 MeV fm E= hc/λ = 2πħc/λ 1240/λ m 2 [E]=[p]=[m]=1eV 10/20/2004 5

10/20/2004 6

Účinný průřez N σ = N L 10/20/2004 7

Účinný průřez pevný terč N scat (θ) N inc 10/20/2004 8

Detektory a jejich systémy ve FVE Nejdůležitější jsou fyzikální cíle neexistuje totiž universální detektor na všechno... Experimenty s pevným terčem: těží z Lorentzovy transformace, všechno letí dopředu, ušetří se na detektorech nejsou problémy s luminozitou (velký počet atomů pevného terčíku) možnost použít jako svazek i nestabilní částice (na př.π mezony) rozptyl na stacionárním terčíku je nevýhodný z hlediska energie interakce Experimenty se vstřícnými svazky: velmi efektivní z hlediska energie mnohem větší energie pro interakci musí se pokrýt celá oblast detektory (4π detekce) problémy luminosity (intenzity a průřezu svazků) nemožnost použít nestabilní částice (zatím jen protony a elektrony) 10/20/2004 9

Vstřícné svazky? Argument energie je nakonec nejpodstatnější. Když porovnáme težišťovou energii urychlovače s pevným terčem a vstřícnými svazky jaká by musela být ekvivalentní energie v laboratorní soustavě kdybychom místo urychlovače LHC (CERN) chtěli mít urychlovač s experimenty s pevným terčem? LHC 7+7 TeV Urychlovač s pevným terčem by musel mít energii 1 045 000 TeV, Na jeho konstrukci by nestačily rozměry zeměkoule. Experimenty ve FVE jsou většinou experimenty na vstřícných svazcích,přesto existuje i široká oblast,kde se uplatňují detektory pro pevné terče neutrinové experimenty, experimenty s kosmickým zářením atd. 10/20/2004 10

Luminosita (1) e+e- vstřícné svazky, účinný průřez σ [cm 2 ] obvod O L, každý balík N částic, 2 interakční oblasti N(příp./s) = σ L zanedbáme-li délku balíku y x n b balíků L = n b fn 2 /A L = n b fn 2 /(4πσ x σ y ) f = c/o L n ir interakčních oblastí L = n ir n b fn 2 /(4πσ x σ y ) Luminosita [1/cm 2 s] 1 balík L = f N 2 /A obvod collideru příčná plocha balíku frekvence [Hz] Rozdělení je Gaussovo s parametry σ x,σ y 10/20/2004 11

Luminosita (2) větší luminosita větší toky částic větší luminosita menší příčný rozměr svazků Integrální luminosita L = IL dt [nb -1 ] 1 nb -1 = 10 33 cm -2 V r.1999-2000 na urychlovači HERA luminosita L 10 31 cm -2 s -1, integrální luminosita/den L=0.86 pb -1 10/20/2004 12

Měření luminosity (1) Dvě nezávislá měření: z technických parametrů svazků na urychlovači (viz uvedená formule) přímo daleko přesněji, s použitím známého nebo spočitatelného s velkou přesností účinného průřezu σ ref Různé experimenty různé procesy pro určení luminosity LEP: používá Bhabhův rozptyl reakci e+e- e+e- má velký účinný průřez velmi dobře známý QED proces všechny účinné průřezy na LEPu normalizované na σ ref neurčitost je 0.1 % 10/20/2004 13

Měření luminosity (2) HERA: používá Bethe-Heitlerův proces e-+p e-+p+γ spočitatelný proces v rámci QED velký účinný průřez měření s velkou efektivitou typická nepřesnost 1% Tevatron: používá totální účinný průřez procesu pp nedá se spočítat s pomocí QCD srovnání s předchozím měřením např. v CERN neurčitost až 7% LHC : pravděpodobně totéž jako na Tevatronu 10/20/2004 14

Měření luminosity H1 experiment Pb stínění proti synchrotr.záření 10/20/2004 15

Měření luminosity - H1 experiment Elektron měřený v centrálním detektoru LAr kalorimetru Elektron měřený v zadní části detektoru kalorimetru SPACAL Elektron měřený v elektronovém taggeru Foton měřený ve fotonovém detektoru Elektronový tagger a fotonový detektor jsou na pohyblivých platformách, přesnost měření jejich pozice je 10µm 10/20/2004 16

Ideální detektor Mnoho různých fyzikálních procesů hlavně elektromagnetické Nakonec vždy pozorujeme: ionizaci a excitaci látky 10/20/2004 17

Měření účinného průřezu (1) Je snadné počítáme jenom případy...? NE!!!! Potřebujeme opravit počet pozorovaných případů na počet případů, které bychom měli v případě perfektního detektoru Co to je perfektní detektor? nemá díry/mezery (holes/cracks) má perfektní efektivitu pro měření částic má perfektní rozlišení žádné případy pozadí Opravujeme s pomocí Monte Carlo programů, když bereme v úvahu veškeré informace o fyzice procesu a detektoru 10/20/2004 18

Měření účinného průřezu (2) Modifikovaný výraz (vstřícné svazky): σ = N obs Lε A N cc b / g Br N obs je počet pozorovaných případů N b/g je počet případů pozadí A cc je akceptance ε je efektivita Br je větvící poměr daného procesu L - luminozita σ Nejjednodušší určení účinného průřezu bylo v bublinových komorách: = σ loss + 1 ρ N A l ln N 0 N 0 N obs Žádné opravy na akceptanci,efektivitu. σ loss jsou ztráty na krátké dráhy ρ hustota prostředí N A Avogadrovo číslo N obs počet pozorovaných interakcí N₀ počet drah na počátku komory l délka prohlížené oblasti 10/20/2004 19

Detektorové systémy 10/20/2004 20

Koncept detektoru 10/20/2004 21

10/20/2004 22

Magnetická pole Měření impulsu ze zakřivení dráhy v magnetickém poli [ GeV / c] = 0. 3 R[ m] B[ T ] p T Většina experimentů používá magnetické pole (ne všechny)! 10/20/2004 23

Konfigurace mg.polí (1) DIPÓL- pole kolmé na svazky, používá se pro pp (ne e+e- kvůli synchr.záření), velmi vhodné pro detekci částic letících dopředu (i pro pevné terče). Odchylka svazku musí být kompenzována dalším magnetem (UA1 SPS CERN) Rozdělený dipól SPLIT FIELD. Není třeba Obě konfigurace flexibilní pro výměnu zařízení. Obě konfigurace nevhodné pro měření částic letícících kolmo ke svazku. 10/20/2004 24

Konfigurace mg.polí (2) SOLENOID pole rovnoběžné se svazky, jen slabé kompenzační magnety, pro pp, e+e-, nenarušuje měření částic kolmých ke svazku. Jen limitovaný prostor uvnitř! (H1,ZEUS,experimenty na LEPu...) TOROID siločáry tvoří kruhy kolem svazku, částice s velkým příčným impulsem musí projít cívkou než se dostanou do mg.pole, pole není homogenní, používá se hlavně pro miony (MARK J (PETRA-DESY), ATLAS (LHC)) 10/20/2004 25

Konfigurace mg.polí (3) AXIÁLNÍ POLE pole rovnoběžné se svazky, je to modifikace solenoidu s lepším přístupem AFS (ISR-CERN) Některá experimentální zařízení nemají ŽÁDNÉ magnetické pole!!! (UA2 (SPS CERN), Crystal Ball (BNL), HERMES (DESY) a samozřejmě např. Superkamiokande pro detekci neutrin.) 10/20/2004 26