Wszech swiat cz astek elementarnychDetekcja cz astek

Wykład OgólnouniwersyteckiWydział Fizyki U.W.

prof. A.F.Zarnecki

Zakład Czastek i Oddziaływan Fundamentalnych, Instytut Fizyki Doswiadczalnej

A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 – p.1/43

Detekcja cz astek• Wprowadzenie

Istota obserwacji w swiecie czastek• Podstawowe procesy fizyczna

- jonizacja- efekt fotoelektryczny- scyntylacja- promieniowanie Czerenkowa

• Metody detekcji czastek- detektory sladowe- kalorymetry

• Współczesne eksperymenty• Falowa natura czastek

A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.2/43

Detekcja cz astek

Istota obserwacji

W swiecie makroskopowym mozliwajest obserwacja nie zakłócajaca ob-serwowanego procesu

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.3/43

Detekcja cz astek

Istota obserwacji

Czastek nie mozemy "zobaczyc" nie zakłócajac ich stanu.

W swiecie czastek kazdy pomiar wiaze sie z jakims oddziaływaniem.

Obserwujemy nie czastki, ale (efekty) ich oddziaływania z materia.

Nie mozna zaobserwowac czastki, która nie oddziałuje!

Podstawowe procesy wykorzystywane do detekcji czastek:• jonizacja i scyntylacja• efekt fotoelektryczny• promieniowanie Czerenkowa

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.4/43

Detekcja cz astek

JonizacjaU podstaw działania przewazajacej wiekszosci detektorów czastekelementarnych lezy zjawisko jonizacji:

Czastka naładowana przechodzac przez osrodek oddziałujeKulombowsko z elektronami i oddaje im czesc swojej energii“wybijajac” je z atomów. Pojawiaja sie swobodne nosniki ładnuku

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.5/43

Detekcja cz astek

ScyntylacjaW wyniku przejscia czastki naład-owanej elektron moze byc “wyr-wany” z atomu, lub przeniesionyna wyzsza powłoke (wzbudzenieatomu).

Powrotowi atomu do stanu pod-stawowego moze towarzyszycwyswiecanie fotonów: scyntylacja

FotonyTakze fotony moga oddziaływac zelektronami w atomie.Przekazuja im cała swoja energie(efekt fotoelektryczny) lub tylkoczesc (rozpraszanie Comptona).

W obu przypadkach elektronmoze zostac “wyrwany” z atomu.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.6/43

Detekcja cz astek

Emulsja fotograficzna

H. Becquerel, 1896

wzbudzone atomy⇒ reakcja chemiczna M.Danysz i J.Pniewski, 1953

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.7/43

OperaEksperyment OperaEmulsja fotograficzna wciaz w uzyciu...

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.8/43

Detekcja cz astekEmulsja fotograficzna eksperyment OPERA

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.9/43

Detekcja cz astek

Komora Wilsona

Charles Wilson, 1911

jonizacja⇒ jony

⇒ kondensacja pary⇒ slad w postaci mgły

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.10/43

Detekcja cz astek

Komora Wilsona

Charles Wilson, 1911

Carl Anderson, 1932

odkrycie pozytonu

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.11/43

Detekcja cz astek

Komora pecherzykowa, 1952

jonizacja ⇒ wrzenie przegrzanej cieczy⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.12/43

Detekcja cz astek

Komora pecherzykowa

Ciecz pełni tez role “tarczy”, z która oddziaływuja czastki wiazki

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.13/43

Detekcja cz astek

Pomiar jonizacjiJonizacja osrodka oznacza powstanie w nim swobodnych ładunków:mozliwy jest przepływ pradu.

w gazie w półprzewodniku

Przepływajacy ładunek jest na ogół bardzo mały,ale czuła elektronika pozwala go wzmocnic i zmierzyc.Na tej zasadzie opiera sie wiekszosc współczesnych detektorów.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.14/43

Detekcja cz astek

Komora iskrowaJonizacja powoduje przeskokiskry pomiedzy elektrodami

Mozliwosc wyboru zdarzen(sterowanie napieciem)

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.15/43

Detekcja cz astek

Komora wielodrutowaGeorges Charpak 1970(Nobel 1992)

Tanie!Odczyt w pełni elektroniczny!elektronika+komputer⇒ rewolucja

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.16/43

Detekcja cz astek

TPCKomoraprojekcjiczasowej

Przypadekzderzeniaciezkichjonów

detektorSTARprzy RHIC

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.17/43

Detekcja cz astek

Detektory półprzewodnikoweBardzo rózne technologie, m.in. CCD (uzywane w fotografii cyfrowej)

Kazdy aparat cyfrowy jest detektorem czastek!

Zdjecie z kamery astronomicznej. Wycinek:

To nie UFO. To slad czastki...

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.18/43

Detekcja cz astek

Detektory półprzewodnikoweCoraz powszechniej uzywane.

Element detektora krzemowego

Bardzo precyzyjny pomiarpozycji czastek (rzedu µm)

Mierzone punkty przejscia wiazki czastek

przez piec warstw detektora testowego:

Mierzac pozycje w wielu warstwach mozemy zrekonstruowac tor.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.19/43

Detekcja cz astek

Scyntylacja

W szeregu materiałów atomywzbudzone na skutek jonizacjiemituja fotony swiatła

Błysk swiatła w scyntylatorzemozemy rejestrowac przy pomocyfotopowielacza

Brak pomiaru pozycjiBardzo dobry pomiar czasuprzejscia czastki

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.20/43

Detekcja cz astek

FotopowielaczAby móc zmierzyc pojedynczy foton musimy wzmocnic pojawiajacysie ładunek.

Jeden foton powoduje przepływ makroskopowego pradu.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.21/43

Detekcja cz astek

Detektory scyntylacyjne

Tradycyjne liczniki scyntyla-cyjne coraz rzadziej uzywane.

Nowe koncepcje:⇐ włókna scyntylujace,

⇓ fotopowielacze krzemowe.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.22/43

Detekcja cz astek

Promieniowanie Czerenkowa

Emitowane przez czastke porusza-jaca sie w osrodku z predkosciawieksza niz predkosc swiatła w tymosrodku.

Swiatło emitowane napewnym odcinku widocznejest w postaci charakterysty-cznych pierscieni

Zachodzi w wodzie, lodzie, powietrzu...Tania technologia dla duzych detektorów!

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.23/43

Współczesne eksperymenty

Super-Kamiokandeeksperyment neutrinowy

Japonia, w starej kopalni, 1 kmpod góra Kamioka, komora owysokosci 40 m i srednicy 40 m,wypełniona woda

11’000 fotopowielaczy (50 cmsrednicy!) rejestruje prze-chodzace czastki

rejestrowane jestpromieniowanie Czerenkowa

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.24/43

Współczesne eksperymenty

Super-Kamiokande

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.25/43

Super-Kamiokande

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.26/43

Współczesne eksperymenty

Super-KamiokandePrzykłady obserwowanych oddziaływan neutrin.

Neutrino elektronowePrzypadek νe n → e−p

Krótki zasieg elektronu“cienki” pierscien

Neutrino mionowePrzypadek νµ n → µ−p

Długa droga mionu w wodzie“gruby” pierscien.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.27/43

Współczesne eksperymenty

Obserwatorium Pierre AugerObserwacja wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego.

Scyntylacja w powietrzu.Promieniowanie Czerenkowa wdetektorach na powierzchni.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.28/43

Współczesne eksperymenty

Obserwatorium Pierre Auger

Detektor powierzchniowy Mapa obserwatorium:

4 stacje po 6 teleskopów obserwujacych swiecenie w atmosferze (UV)1600 detektorów powierzchniowych rozstawionych na 3000 km2 !!!

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.29/43

Współczesne eksperymenty

Obserwatorium Pierre Auger

Schemat obserwacji"peku atmosferycznego":4 "zdjecia" z teleskopów+ "slad" na powierzchni

Na podstawie pomiaru“peku” czastek wtórnychwnioskujemy o energiiczastki pierwotnej

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.30/43

Detekcja cz astek

KalorymetryWszystkie przedstawione do tej pory detektory rejestrowały przejscieczastki, slad czastki w materii ⇒ detektory sladowe.

Aby zmierzyc energie czastki musimy sprawic, aby w wynikuwielokrotnych oddziaływan "oddała ja" w całosci detektorowi.Kalorymetr elektromagnetyczny

Wysokoenergetyczne elektronytraca energie prawie wyłaczniena promieniowanie hamowania

e−

γ

Wysokoenergetyczne fotony ule-gaja konwersji na pary e+ e−

γ

e

e

−

+

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.31/43

Detekcja cz astek

KalorymetryWysokoenergetyczny elektron lub foton wpadajac do detektorawywołuje kaskade składajaca sie z N ∼ E czastek

Mierzac liczbe czastek lub całkowita długosc torów (całkowitajonizacje) mozemy dokładnie okreslic energie czastki poczatkowej

Kalorymetr jednorodny

np. blok scyntylatora

Kalorymetr próbkujacy

warstwy detektora na przemian zgestym absorberem

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.32/43

Detekcja cz astek

Kalorymetry

Symulacja rozwojukaskady hadronowej(pomiar energii protonu)

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.33/43

Detektor przy LHC

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.34/43

Detektor przy LHC

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.34/43

Czastki i fale

Efekt fotoelektryczny

Odkryty przez Hertza w 1887W 1902 Philipp Lenard pokazał,ze efekt fotoelektryczny obserwu-jemy tylko dla wybranych długosci faliswiatła:

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.35/43

Czastki i fale

Efekt fotoelektryczny

Odkryty przez Hertza w 1887W 1902 Philipp Lenard pokazał,ze efekt fotoelektryczny obserwu-jemy tylko dla wybranych długosci faliswiatła:

Efektu tego nie mozna byłowytłumaczyc w oparciu ofalowa teorie swiatła

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.35/43

Czastki i fale

100 lat temu, w roku 1905, Albert Einstein wysunał hipoteze, zeswiatło jest strumieniem niepodzielnych kwantów energii, które dzisnazywamy fotonami.

Efekt fotoelektrycznyHipoteza ta wyjasniła zaleznoscefektu fotoelektrycznego od dłu-gosci fali swiatła

hν < E0 hν > E0

Rozpraszanie ComptonaW roku 1923 Compton pokazał, zefotony niosa nie tylko energie, alei ped ⇒ zachowuja sie jak czastki

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.36/43

Czastki i fale

Fotony maja okreslona energie i ped - jak inne czastki.

Jednoczesnie jednak fotony zachowuja sie jak fale.Swiadcza o tym m.in. zjawisko dyfrakcji i interferencji swiatła.

Ugiecie fal na pojedynczej szczelinie:

Fale na wodzie Swiatło

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.37/43

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

W roku 1923 Louis de Broglie wysunał hipoteze, ze wszystkie czastkipowinny przejawiac własnosci falowe !

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

Elektrony

100 elektronówrozkład przypadkowy ?

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

Elektrony

3000 elektronów

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

Elektrony

70000 elektronów

Elektrony tez zachowuja sie jak fale !Potwierdzenie hipotezy de Broglie’a.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.38/43

Czastki i fale

Dyfrakcja na strukturach heksagonalnych

Swiatło Elektrony

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.39/43

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez cienka folie aluminiowa

Promieniowanie X Elektrony

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.40/43

Czastki i fale

Mechanika Newtona

Klasyczne równania ruchu pozwalaja na scisłe wyznaczeniezaleznosci połozenia ciała od czasu: ~r(t).

Jesli znamy dokładnie poczatkowe połozenia i predkosci wszystkichelementów układu (np. planet w Układzie Słonecznym) potrafimyprzewidziec w jakim stanie bedzie sie znajdował w przyszłosci.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.41/43

Czastki i fale

Mechanika Newtona

Klasyczne równania ruchu pozwalaja na scisłe wyznaczeniezaleznosci połozenia ciała od czasu: ~r(t).

Jesli znamy dokładnie poczatkowe połozenia i predkosci wszystkichelementów układu (np. planet w Układzie Słonecznym) potrafimyprzewidziec w jakim stanie bedzie sie znajdował w przyszłosci.

Tego typu podejscie zawodzi jednak w swiecie subatomowym!

Falowa natura czastek zmusza nas do rezygnacji z podejsciadeterministycznego...

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.41/43

ZdarzeniaPodej scie statystyczne

Nasze urzadzenia pomiarowe sa makroskopowe - musimy zobserwacji makroskopowych wydobywac informacje co sie dzieje napoziomie czastek.

W doswiadczeniach z czastkami el. mamy do czynienia zezdarzeniami (przypadkami) - nie mozemy przewidziec ani kontrolowacprecyzyjnie pojedynczych zderzen czastek, wszystko ma charakterprzypadkowy.

Musimy miec duza statystyke zdarzen (czasami miliony, a nawet setkimilionów przypadków), aby móc badac i opisywac zachowanieczastek.

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 ⇒ – p.42/43

ZdarzeniaPodej scie statystyczne

Takze rozpady czastek elementarnych (nawet tych fundamentalnych)sa nieprzewidywalne (kiedy i jak zajda).

Np. neutron zyje srednio około 10 min - rozpada sie na proton,elektron i neutrino elektronowe (w jadrze at. jest stabilny)

W opisie kwantowym - precyzyjny opis srednich wielkosci, ale nic niemozna powiedziec o szansie indywidualnego zdarzenia

Znikanie czastek ale tez ich powstawanie - to obserwuje sie wdoswiadczeniach przy akceleratorach. Musimy zebrac duzoprzypadków, aby dobrze mierzyc rozkłady róznych wielkosci⇒ wnioskowac o teorii

⇐ A.F.Zarnecki U.W. Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2 23 lutego 2011 – p.43/43