Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf ·...

50
Jak badamy cząstki elementarne I? Jak badamy cząstki elementarne I? Cząstka i fale – falowe własności cząstek elementarnych Cząstka i fale – falowe własności cząstek elementarnych Cząstki fundamentalne Cząstki fundamentalne Ewolucja Wszechświata (czas, energia, temperatura) Ewolucja Wszechświata (czas, energia, temperatura) Jak badamy cząstki elementarne II? Jak badamy cząstki elementarne II? Detekcja cząstek Detekcja cząstek Współczesne eksperymenty I Współczesne eksperymenty I Wszechświat cząstek elementarnych Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników dla przyrodników WYKŁAD 2 WYKŁAD 2 14.X.2009 14.X.2009 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Transcript of Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf ·...

Page 1: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Jak badamy cząstki elementarne I?Jak badamy cząstki elementarne I?Cząstka i fale – falowe własności cząstek elementarnychCząstka i fale – falowe własności cząstek elementarnychCząstki fundamentalne Cząstki fundamentalne Ewolucja Wszechświata (czas, energia, temperatura)Ewolucja Wszechświata (czas, energia, temperatura)

Jak badamy cząstki elementarne II?Jak badamy cząstki elementarne II?Detekcja cząstekDetekcja cząstekWspółczesne eksperymenty IWspółczesne eksperymenty I

Wszechświat cząstek elementarnychWszechświat cząstek elementarnychdla przyrodnikówdla przyrodników

WYKŁAD 2 WYKŁAD 2 14.X.200914.X.2009 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Page 2: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Istota obserwacji

W swiecie makroskopowym mozliwajest obserwacja nie zakłócajaca ob-serwowanego procesu W mikroswiecie - jest inaczej. Pomiar to oddzialywanie. Obserwujemy nie same czastki,ale (efekty) ich oddzialywania z materia. ⇐ ⇒ – p.3/36

Page 3: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Jak badamy cząstki elementarne?Jak badamy cząstki elementarne?

Przyglądamy się im...Przyglądamy się im...źródło „światła” źródło „światła” →→ obiekt obiekt →→ detektordetektorNiestety, cząstek nie możemy Niestety, cząstek nie możemy

zwyczajnie zobaczyć zwyczajnie zobaczyć –– światło światło widzialne jest „za grube” widzialne jest „za grube”

długość fali długość fali λλ~300~300--600 600 nmnmrozmiar atomu ~0.1 rozmiar atomu ~0.1 nmnm

Musimy szukaMusimy szukaćć innych metod, innych innych metod, innych „„promienipromieni””......

Page 4: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)
Page 5: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Jak badamy cząstki elementarne?Jak badamy cząstki elementarne?

Rozdzielczość „promieni” o energii ERozdzielczość „promieni” o energii EΔΔx ~ x ~ λλ = = hchc/E /E

h h –– stastałła a PlanckaPlancka, h=6.626 * 10, h=6.626 * 10--3434 JsJsc c –– prpręędkodkośćść śświatwiatłłaa

Aby badaAby badaćć materimaterięę na poziomie czna poziomie cząąstek musimy ustek musimy użżywaywaćć fotonfotonóów w (lub innych cz(lub innych cząąstek) o wysokich energiach...stek) o wysokich energiach...

Energia odpowiadająca temperaturze TEnergia odpowiadająca temperaturze TE = k T E = k T k k –– stała stała BoltzmanaBoltzmana k=1.4*10k=1.4*10--2323 J/KJ/K

Skale rozdzielczości, energii i temperatury są Skale rozdzielczości, energii i temperatury są równoważne...równoważne...

Page 6: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Oddziaływania na poziomie elementarnym i fundamentalnym opisujemy je jako wymiane czastek - “nosników”

⇐ A.F.Zarnecki Uniwersytet Otwarty U.W. Ciemna strona Wszechswiata 14 pazdziernika 2008⇒ – p.5/51

Page 7: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Fundamentalne oddziaływania i fundamentalne nosniki-grawitacja nieistotna w mikroswiecie (grawiton - to jedynie hipoteza)

γ

elektromagnetyczne

g

silne

W+ Z0 W-

slabe

ro

G??grawiton

grawitacyjne

⇐ A.F.Zarnec Ciemna strona Wszechswiata 14 pazdziernika 2008⇒ – p.6/51

Page 8: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Oddziaływania fundamentalne (stan obecny)Nosnik oddziaływania przenosi energie i/lub pedmiedzy czastkami fundametalnymi bedacymi zródłami tego oddziaływania

oddziaływanie zródło nosnik masa

elektromag. ładunek foton γ 0silne “kolor” gluony g 0

słabe “ładunek słaby” “bozony W± 80 GeVposredniczace” Z◦ 91 GeV

1 GeV = 1 000 000 000 eV ≈ masa protonu (c=1)Kwarki - wszystkie oddzialywania, leptony - bez oddz. silnych

⇐ gr⇒ –

Page 9: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Budowa materii (stan obecny)Swiat “codzienny”: 3 “cegiełki” (elektron oraz kwarki u i d) + neutrinoFizyka czastek⇒ 12 fundamentalnych “cegiełek” materii, fermionów

leptony kwarkipokolenie 1 e νe d u

elektron neutrino el. down up

pokolenie 2 µ νµ s cmion neutrino mionowe strange charm

pokolenie 3 τ ντ b ttaon neutrino taonowe beauty top

(bottom) (truth)

ładunek [e] −1 0 −1/3 +2/3

+ anty-fermiony (kolejnych 12)

⇐ A.F.Zarnecki Uniwersytet Otwarty U.W. Ciemna strona Wszechswiata 14 pazdziernika 2008⇒ – p.4/51

Page 10: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Cząstki fundamentalneCząstki fundamentalnew Modelu Standardowymw Modelu Standardowym

Page 11: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Masa i energiaMasa i energiaW fizyce cząstek praktycznie zawsze musimy uwzględniać teorię wzW fizyce cząstek praktycznie zawsze musimy uwzględniać teorię względności! ględności!

Cząstki na ogół poruszają się z prędkościami bliskimi c.Cząstki na ogół poruszają się z prędkościami bliskimi c.

Prędkość przestaje być wygodnym parametrem do opisu procesów.Prędkość przestaje być wygodnym parametrem do opisu procesów.Przykład: elektrony w LEP v=0.999 999 999 995*c (E=100 Przykład: elektrony w LEP v=0.999 999 999 995 c (E=100 GeVGeV), ),

protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeVTeV))

Znacznie wygodniejsza do opisu ruchu cząstki jest energia i pędZnacznie wygodniejsza do opisu ruchu cząstki jest energia i pęd

Energia w teorii względności :Energia w teorii względności :–– Energia spoczynkowa EEnergia spoczynkowa E00 = mc= mc22 wprowadzona przez Einsteinawprowadzona przez Einsteina–– Energia całkowita EEnergia całkowita E22 = E= E00

22 + (+ (pcpc))22 p p –– pęd ciałapęd ciała–– Energia kinetyczna Energia kinetyczna EEkk=E=E--EE00

Masa jest równoważna energii ! Masa jest równoważna energii ! To nie jest „konwencja”. Zachowana jest tylko energia całkowitaTo nie jest „konwencja”. Zachowana jest tylko energia całkowita, energia , energia

kinetyczna może się zamieniać w masę, masa w energię kinetyczna kinetyczna może się zamieniać w masę, masa w energię kinetyczna !!

⇒⇒Dzięki temu możemy produkować nowe cząstki i badać ich własnościDzięki temu możemy produkować nowe cząstki i badać ich własności! !

Page 12: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Jednostki energiiJednostki energii

Joul Joul (J) jest jednostką „astronomiczna” w świecie cząstek, (J) jest jednostką „astronomiczna” w świecie cząstek, potrzebujemy bardziej praktycznej jednostkipotrzebujemy bardziej praktycznej jednostki

1 1 eVeV (elektronowolt) = energia jaką elektron zyskuje w (elektronowolt) = energia jaką elektron zyskuje w wyniku działania pola elektrycznego przy napięciu 1Vwyniku działania pola elektrycznego przy napięciu 1V

1 1 eVeV = 1.6 * 10= 1.6 * 10--1919 JJ

Rozdzielczość: 1 Rozdzielczość: 1 eV eV ~ 1 ~ 1 μμmmTemperatura: 1 Temperatura: 1 eV eV ~ 10~ 1044 KK

Jednostki pochodne: 1 Jednostki pochodne: 1 keVkeV, 1 , 1 MeVMeV, 1 , 1 GeVGeV, 1 , 1 TeVTeV......

Page 13: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Zdarzenia Zdarzenia (przypadki, ang.(przypadki, ang.eventsevents))W doświadczeniach z cząstkami W doświadczeniach z cząstkami elel. mamy do czynienia ze . mamy do czynienia ze zdarzeniami zdarzeniami ––nie możemy przewidzieć ani kontrolować precyzyjnie zderzeń nie możemy przewidzieć ani kontrolować precyzyjnie zderzeń cząstek, cząstek, wszystko ma charakter przypadkowy. wszystko ma charakter przypadkowy. Nasze urządzenia pomiarowe są makroskopowe Nasze urządzenia pomiarowe są makroskopowe ––

musimy z obserwacji musimy z obserwacji

makroskopowych wydobywać informacje co się dzieje na poziomie makroskopowych wydobywać informacje co się dzieje na poziomie cząstek.cząstek.

Także rozpady cząstek elementarnych (nawet tych fundamentalnych)Także rozpady cząstek elementarnych (nawet tych fundamentalnych) są są nieprzewidywalne (kiedy i jak zajdą).nieprzewidywalne (kiedy i jak zajdą).

Np. neutron żyje Np. neutron żyje średniośrednio

około 10 min około 10 min ––

rozpada się na proton, elektron i rozpada się na proton, elektron i neutrino elektronowe (w jądrze at. jest stabilny)neutrino elektronowe (w jądrze at. jest stabilny)

W opisie kwantowym W opisie kwantowym ––

precyzyjny opis precyzyjny opis średnich wielkościśrednich wielkości, , ale nic nie można powiedzieć o szansie indywidualnego zdarzeniaale nic nie można powiedzieć o szansie indywidualnego zdarzenia

Znikanie cząstek ale też ich powstawanie Znikanie cząstek ale też ich powstawanie –– to obserwuje się w to obserwuje się w doświadczeniach przy akceleratorach. Musimy zebrać dużo przypaddoświadczeniach przy akceleratorach. Musimy zebrać dużo przypadków, ków, aby dobrze mierzyć rozkłady różnych wielkości aby dobrze mierzyć rozkłady różnych wielkości --> wnioskować o teorii> wnioskować o teorii

Prezentator
Notatki do prezentacji
Ile żyje swobodny neutron ? Na co rozpada się neutron?
Page 14: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)
Page 15: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Jak badamy cząstki elementarne?Jak badamy cząstki elementarne?

Przyglądamy się im...Przyglądamy się im...źródło „światła” źródło „światła” →→ obiekt obiekt →→ detektordetektor

Rozbijamy je...Rozbijamy je...zderzając cząstka zderzając cząstka →←→← cząstkacząstkaPatrzymy jakie są produkty zderzeniaPatrzymy jakie są produkty zderzenia

„Podgrzewamy”...„Podgrzewamy”...Dostarczamy dużej energii do układu wielu Dostarczamy dużej energii do układu wielu

cząstek (np. w wyniku zderzenia)cząstek (np. w wyniku zderzenia) patrzymy co „się ugotuje”patrzymy co „się ugotuje”

jakie cząstki powstaną na końcujakie cząstki powstaną na końcu

Page 16: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czastki i fale

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

Efekt fotoelektrycznyHipoteza ta wyjasniła zaleznoscefektu fotoelektrycznego od dłu-gosci fali swiatła (energii fotonow)

hν < E0 hν > E0

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

⇐ ⇒ – p.8/51

UW
Notatka
MigrationConfirmed ustawione przez UW
UW
Notatka
MigrationConfirmed ustawione przez UW
UW
Notatka
MigrationConfirmed ustawione przez UW
UW
Notatka
MigrationConfirmed ustawione przez UW
Page 17: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czastki i fale

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

Ugiecie fal na pojedynczej szczelinie:

Fale na wodzie Swiatło

⇐ ⇒ – p.9/51

Page 18: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

⇐ ⇒ – p.10/51

Page 19: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

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 ! Podstawa mechaniki kwantowej (falowej) - r. falowe Schroedingera1926 ⇐ ⇒ – p.10/51

Page 20: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

Elektrony

100 elektronówrozkład przypadkowy ?

⇐ ⇒ – p.10/51

Page 21: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

Elektrony

3000 elektronów

⇐ ⇒ – p.10/51

Page 22: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czastki i fale - mechanika kwantowa Obraz przy przechodzeniu przez dwie szczeliny:

Swiatło

Złozenie fal⇒ prazki interferencyjne

Elektron y

70000 elektronów

Elektrony tez zachowuja sie jak fale ! Spra Sprawdz to sam :Po http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/two-slit3.html

http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/two-slit3.htmlhttp://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/two-slit3.html

http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/two-slit3.html

http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/two-slit3.html

http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/two-slit3.html Zrob to sam

.Zr.

Z

⇐ A.F.Zarnecki Uniwersytet Otwarty U.W. Ciemna strona Wszechswiata 14 pazdziernika 2008

⇒ – p.10/51

Page 23: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czastki i fale

Dyfrakcja na strukturach heksagonalnych

Swiatło Elektrony

⇐ ⇒ – p.11/51

Page 24: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czastki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez cienka folie aluminiowa

Promieniowanie X Elektrony

⇐ ⇒ – p.12/51

Page 25: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek•

• Podstawowe procesy fizyczne- efekt fotoelektryczny- jonizacja- scyntylacja- promieniowanie Czerenkowa

• Metody detekcji czastek- detektory sladowe- kalorymetry

Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.2/36

Page 26: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Efekt fotoelektryczny

Odkryty przez Hertza w 1887.Padajacy foton uwalnia z powierzchni metaluelektron. W 1902 Philipp Lenard pokazał,ze efekt fotoelektryczny obserwujemy tylko dlawybranych długosci fali swiatła:

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.5/36

Page 27: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Efekt fotoelektryczny

FotopowielaczAby móc zmierzyc pojedynczy foton musimy wzmocnic pojawiajacysie ładunek.

Jeden foton powoduje przepływ makroskopowego pradu.

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.6/36

Page 28: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

JonizacjaU podstaw działania przewazajacej wiekszosci detektorów czastekelementarnych lezy zjawisko jonizacji:

Czastka naładowana przechodzac przez osrodek oddziałujekulombowsko(oddz. e-m) z elektronami i oddaje im czesc swojej energii“wybijajac” je z atomów.

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.7/36

Page 29: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Emulsja fotograficzna

H. Becquerel, 1896

M.Danysz i J.Pniewski, 1953

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.8/36

Page 30: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Komora Wilsona

Charles Wilson, 1911

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.10/36

Page 31: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Komora Wilsona

Charles Wilson, 1911

Carl Anderson, 1932

odkrycie pozytonu

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.11/36

Page 32: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Komora pecherzykowa, 1952

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.12/36

Page 33: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Komora pecherzykowa

Czastki wiazki oddziaływuja z czastkami cieczy - "tarczy"

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.13/36

Page 34: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Komora iskrowaJonizacja powoduje przeskokiskry pomiedzy elektrodami

Mozliwosc wyboru zdarzen(sterowanie napieciem)

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.14/36

Page 35: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Komora wielodrutowaGeorges Charpak 1970(Nobel 1992)

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

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.15/36

Page 36: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

TPCKomoraprojekcjiczasowej

Przypadekzderzeniaciezkichjonów

detektorSTARprzy RHIC

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.16/36

Page 37: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Detektory półprzewodnikoweCoraz powszechniej uzywane.

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

Bardzo precyzyjny pomiarpozycji czastek (rzedu µm)

Mierzone punkty przejscia wiazki czastek

przez piec warstw "teleskopu":

Niestety wciaz drogie...

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.17/36

Page 38: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Scyntylacja

W szeregu materiałów atomywzbudzone na skutek jonizacjiemituja fotony swiatła

Błysk swiatła w scyntylatorzemozemy rejestrowac przy pomocyfotopowielacza

Brak pomiaru pozycjiBardzo dobry pomiar czasuprzejscia czastki

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.18/36

Page 39: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Detektory scyntylacyjne

Tradycyjne liczniki scyntyla-cyjne coraz rzadziej uzywane.

Nowe koncepcje:⇐ włókna scyntylujace,

⇓ fotopowielacze krzemowe.

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.19/36

Page 40: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

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!

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.20/36

Page 41: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

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

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.21/36

Page 42: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Współczesne eksperymenty

Super-Kamiokande

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.22/36

Page 43: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

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.

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.23/36

Page 44: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Współczesne eksperymenty

Obserwatorium Pierre AugerObserwacja wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego.

Scyntylacja w powietrzu.Promieniowanie Czerenkowa wdetektorach na powierzchni.

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.24/36

Page 45: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

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 !!!

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.25/36

Page 46: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Współczesne eksperymenty

Obserwatorium Pierre Auger

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

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.26/36

Page 47: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek cd.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

+

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.27/36

Page 48: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

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

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.28/36

Page 49: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Detekcja czastek

Kalorymetry

Symulacja rozwojukaskady hadronowej(pomiar energii protonu)

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 2: Detekcja Czastek 27 lutego 2008 ⇒ – p.29/36

Page 50: Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2 …krawczyk/w2.pdf · 2009-10-18 · protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeV)

Czy elektrony mogą wytwarzać obraz interferencyjny ? Czy elektrony mogą wytwarzać obraz interferencyjny ? Na czym polega działanie komory pęcherzykowej?Na czym polega działanie komory pęcherzykowej? Co stanowi substancję roboczą w komorze Wilsona?Co stanowi substancję roboczą w komorze Wilsona? Jaki jest warunek emisji promieniowania Czerenkowa przez cząstkę Jaki jest warunek emisji promieniowania Czerenkowa przez cząstkę

naładowaną?naładowaną? Jakie cząstki dominują w promieniowaniu kosmicznym docierającym do Jakie cząstki dominują w promieniowaniu kosmicznym docierającym do

Ziemi?Ziemi? Na czym polega proces jonizacji?Na czym polega proces jonizacji? Oddziaływania jakich cząstek rejestrujemy w detektorze Oddziaływania jakich cząstek rejestrujemy w detektorze

Super- Kamiokande?Super- Kamiokande? Jakie metody detekcji wykorzystywane są w Obserwatorium Pierre Auger?Jakie metody detekcji wykorzystywane są w Obserwatorium Pierre Auger? Jakie procesy są badane w Obserwatorium Pierre Auger?Jakie procesy są badane w Obserwatorium Pierre Auger? Jak jest największa obserwowana energia promieni kosmicznych?Jak jest największa obserwowana energia promieni kosmicznych? Jaka jest największa zaleta detektorów półprzewodnikowych?Jaka jest największa zaleta detektorów półprzewodnikowych? Jak jest intensywność promieniowania kosmicznego na powierzchni Ziemi?Jak jest intensywność promieniowania kosmicznego na powierzchni Ziemi? Wymień 3 procesy wykorzystywane do detekcji cząstek.Wymień 3 procesy wykorzystywane do detekcji cząstek. Czy możemy przewidzieć kiedy rozpadnie się neutron?Czy możemy przewidzieć kiedy rozpadnie się neutron?

Pytania do wykładu 2Pytania do wykładu 2

UW
Przekreślenie
UW
Przekreślenie