Θερμιδομετρία & Θερμιδόμετρα Θερμιδομετρία & Θερμιδόμετρα Αναστάσιος Ηλιόπουλος 11/04/2006 Επιβλέπων: Γ. Τσιπολίτης

Περιεχόμενα Εισαγωγή Θερμιδομετρία στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών Ορισμοί Θερμιδομετρίας – Θερμιδομέτρου Κατηγορίες Θερμιδομετρία στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών Κύρια χαρακτηριστικά Ηλεκτρομαγνητικοί Καταιγισμοί Αδρονικοί Καταιγισμοί Είδη Θερμιδομέτρων Θερμιδόμετρα ομογενούς τύπου Δειγματοληπτικά Θερμιδόμετρα Πρότυπα αναγνώρισης σωματιδίων Το θερμιδόμετρο του ATLAS Θερμιδόμετρα σε άλλους κλάδους της επιστήμης Θερμιδόμετρα στη Χημεία Θερμιδόμετρο ισόθερμης τιτλοδότησης Μικροθερμιδόμετρο ακτίνων – Χ

Εισαγωγή Θερμιδομετρία: Μέτρηση ενέργειας ή θερμότητας Εφαρμογές σε: Φυσική Υψηλών Ενεργειών Χημεία & Βιολογία Όργανα μέτρησης: Θερμιδόμετρα (calorimeters) Ετυμολογία: calor = θερμότητα 4%

Θερμιδόμετρα στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών Κύρια Χαρακτηριστικά: Δημιουργία καταιγισμών (showers) δευτερογενών σωματιδίων Το πλήθος των δευτερογενών σωματιδίων ανάλογο της ενέργειας του αρχικού σωματιδίου Διακριτική ικανότητα ανάλογη της ενέργειας αρχικού σωματίου Δυνατότητα ανίχνευσης φορτισμένων & αφόρτιστων σωματιδίων 8%

Μπορούν να πληροφορήσουν για απώλεια ενέργειας σε μια αλληλεπίδραση Τα θερμιδόμετρα είναι οι μόνοι ανιχνευτές που μπορούν να μετρήσουν την ενέργεια πιδάκων (jets) Μπορούν να πληροφορήσουν για απώλεια ενέργειας σε μια αλληλεπίδραση Επομένως καθιστούν δυνατή τη διαπίστωση παρουσίας η μη νετρίνων 12%

Ηλεκτρομαγνητικοί Καταιγισμοί (em showers) Υψηλής ενέργειας e– ή γ προσπίπτει σε υλικό απορροφητή (absorber) και δημιουργεί ηλεκτρομαγνητικό καταιγισμό 16%

Μηχανισμοί απώλειας ενέργειας Ενέργειες < 100MeV Ηλεκτρόνια → Ιονισμός ή διέγερση Φωτόνια → Ιονισμός ή διέγερση Ενέργειες > 100MeV Ηλεκτρόνια → Bremsstrahlung (ακτινοβολία πέδησης) Φωτόνια → Δίδυμη γένεση (ζεύγος e– e+) 20%

Μοντέλα περιγραφής ανάπτυξης καταιγισμών (θυσάνων) e- e- γ e- e+ γ γ γ΄ Ιονισμοί από το e- Είσοδος φωτονίου Δίδυμη γένεση Ιονισμοί από το e+ ή εξαΰλωση σε 2γ Σκέδαση Compton Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο 24%

Χαρακτηριστικά μεγέθη μελέτης καταιγισμών Μήκος Ακτινοβολίας Χ0 (Radiation Length) Απώλεια 2/3 ενέργειας e– Πιθανότητα δίδυμης γένεσης: 7/9 (generation length) Ακτίνα Moliere Απώλειες ενέργειας λόγω ιονισμών = λόγω ακτινοβολίας 28%

Μετά από t γενιές σωματιδίων: , e- γ e- e- γ e- e+ Μετά από t γενιές σωματιδίων: , 32%

Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι την τιμή: Αποκορύφωμα καταιγισμού Σταδιακή κυριαρχία απώλειας ενέργειας λόγω ιονισμών Τελικά όλη η ενέργεια του σωματιδίου εμφανίζεται ως ιονισμοί στο υλικό – Μέγιστο σε βάθος που αυξάνει λογαριθμικά με την Ε0 – Πλήθος σωματιδίων στο μέγιστο ανάλογο της Ε0 – Ολικό μήκος διαδρομής 36%

Διαμήκης εκδήλωση καταιγισμού Άνοδος – Περιοχή μέγιστης τιμής – Βαθμιαία πτώση Ο μέγιστος ρυθμός απώλειας ενέργειας εμφανίζεται βαθύτερα στο υλικό με την αύξηση του Ζ Λόγω σκεδάσεων Coulomb ο καταιγισμός παρουσιάζει και εγκάρσια διασπορά της τάξης μιας ακτίνας Moliere Τελικώς ο καταιγισμός αναπτύσσεται πλήρως και σταματάει σε βάθος περίπου 25Χ0  14cm Pb, 44cm Fe, 220cm Al 40%

Αδρονικοί Καταιγισμοί Ανελαστική σκέδαση αδρονίου με πυρήνα προκαλεί παραγωγή δευτερογενών αδρονίων Συνήθως μεσόνια Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης Ανελαστική σκέδαση με πυρήνες Διέγερση πυρήνων Ιονισμοί των ατόμων του υλικού Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι την τιμή Εth που είναι η ελάχιστη τιμή ενέργειας που χρειάζεται για τη δημιουργία ενός μεσονίου 44%

Μέτρο έκτασης του αδρονικού καταιγισμού το πυρηνικό μήκος απορρόφησης (nuclear interaction length) Στο διπλανό σχήμα: Διαμήκης και εγκαρσια ανάπτυξη αδρονικού καταιγισμού Ανάπτυξη καταιγισμού από π– μεσόνιο ενέργειας 300GeV που εισέρχεται σε ουράνιο Πολλές οι ομοιότητες με την ανάπτυξη του ηλεκτρομαγνητικού καταιγισμού Το 95% του αδρονικού καταιγισμού για να αναπτυχθεί απαιτούνται ~80cm βάθος υλικού Αν επρόκειτο για e– ίδιας ενέργειας θα απαιτούνταν μόλις 10cm 48%

Για την πλήρη ανάπτυξη (~99%) ενός αδρονικού καταιγισμού απαιτούνται από 6λint μέχρι 9λint, ανάλογα με την ενέργεια του εισερχομένου σωματιδίου 52%

Ηλεκτρομαγνητικοί καταιγισμοί Αδρονικοί vs Όλη η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου εμφανίζεται τελικά ως ιονισμοί στο υλικό Το 70% της ενέργειας του αρχικού αδρονίου γίνεται ιονισμοί. Ένα 30% χάνεται σε διαδικασίες που δεν δίνουν παρατηρήσιμο σήμα (αποσύνθεση πυρήνων, πυρηνικές διεγέρσεις κλπ.) Λύση: χρήση 238U Τυπική Διακριτική ικανότητα Χρησιμοποιούνται υλικά μεγάλου Z (δηλαδή μικρού Χ0) ώστε ο καταιγισμός να αναπτύσσεται σε μικρότερο όγκο Απαιτείται μεγαλύτερος όγκος υλικού για την ανάπτυξη του καταιγισμού vs 56%

Είδη Θερμιδομέτρων Θερμιδόμετρα ομογενούς τύπου (homogeneous type) Θερμιδόμετρα Ημιαγωγών (Semiconductor calorimeters) Κρύσταλλοι Ge(Li) ή Si(Li) Εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου Θερμιδόμετρα Cherenkov (Cherenkov calorimeters) 55% PbO & 45% SiO2 Ανίχνευση σχετικιστικών e– & e+ Μειωμένη ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία Σπινθηριστές (Scintillation counters) Κρύσταλλοι BGO, NaI(Tl), CsI(TI) Θερμιδόμετρα ευγενών αερίων σε υγρή κατάσταση (Noble liquid calorimeters) Συνήθως Ar, Kr, Xe Ιονισμοί & σπινθηρισμοί 60%

Πλαστικοί Σπινθηριστές Δειγματοληπτικά Θερμιδόμετρα (Sampling Calorimeters) Πλαστικοί Σπινθηριστές Εναλλασσόμενες στρώσεις πλαστικού & μολύβδου Μετατόπιση λ – Φωτοπολλαπλασιαστής Πλεονεκτήματα: Χαμηλό κόστος κατασκευής Μικρός χρόνος απόκρισης Μειονεκτήματα Μειωμένη ανθεκτικότητα στην ακτινοβολία Ανομοιομορφία σήματος Προσπάθεια χρησιμοποίησης πλαστικών ινών 64%

Δειγματοληπτικά Θερμιδόμετρα (Sampling Calorimeters) Υγρών στρωμάτων (LAr) Ευγενές αέριο σε υγρή κατάσταση Ανθεκτικότητα σε ακτινοβολία Πιο αργή απόκριση Αντιμετώπιση με διάταξη «ακκορντεόν» 68%

Πρότυπα Αναγνώρισης Σωματιδίων 72%

Πρότυπα Αναγνώρισης Σωματιδίων 76%

Πρότυπα Αναγνώρισης Σωματιδίων 80%

Το θερμιδόμετρο του ATLAS 84%

Το θερμιδόμετρο του ATLAS 88%

Άλλα είδη Θερμιδομέτρων Θερμιδόμετρο σταθερού όγκου (τύπου βόμβας) 92%

Θερμιδόμετρο ισόθερμης τιτλοδότησης Βιολογικού & ιατρικού ενδιαφέροντος Σύγκριση προτύπου με προς μελέτη δείγμα Ταυτοποίηση ή όχι του προς μελέτη δείγματος με το πρότυπο 96%

Μικροθερμιδόμετρο ακτίνων – Χ Καταμέτρηση παλμών θερμότητας από φωτόνια ακτίνων – Χ Υψηλή απόδοση & διακριτική ικανότητα 100%

Επίλογος Τα θερμιδόμετρα είναι απαραίτητο τμήμα κάθε πειράματος φυσικής υψηλών ενεργειών Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην ανάπτυξη ηλεκτρομαγνητικών και αδρονικών καταιγισμών Προσφέρουν τη δυνατότητα μέτρησης της ενέργειας αλλά και αναγνώρισης ενός σωματιδίου Μεγαλύτερη αποδοτικότητα προσφέρεται από τα δειγματοληπτικά θερμιδόμετρα διάταξης «ακκορντεόν» Θερμιδόμετρα χρησιμοποιούνται επιπλέον στη Χημεία και τη Βιολογία

Πηγές Βιβλιογραφία Fabjan C. “Calorimetry in high – energy physics” Leo W.R. “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments” Perkins D. “Introduction to high – energy physics” (μετάφραση Κ. Σαρηγιάννη) Wigmans R. “Energy loss of particles in dense matter – calorimetry” Μιχελής Σ. “Χημεία Β΄ Λυκείου” Α΄ τεύχος Παπαδοπούλου Θ. “Παραγωγή και ανίχνευση σωματιδίων και ακτινοβολιών” (σειρά σημειώσεων) Internet http://www.physics.ntua.gr/~eesfye http://en.wikipedia.org/wiki/calorimetry http://images.google.com (αναζήτηση εικόνων)