Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Χ. Πετρίδου, Κ. Κορδάς Μάθημα 2β: Πειράματα-Ανιχνευτές Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 28 Φεβρουαρίου 2013

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές2 Τι θα συζητήσουμε Σχηματικά:  Μέτρηση ορμής και ενέργειας σωματιδίων  Διατάξη ανιχνευτών για την ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων Πειραματικές διατάξεις σε κυκλικούς επιταχυντές  Τα μάτια που βλέπουν τι παράγεται στις συγκρούσεις σωματιδίων  γενικά χαρακτηριστικά και διάταξη ανιχνευτών

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές3 Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων - Πολύπλοκα πειράματα Επιταχυντές δεσμών Σωματιδίων Ανιχνευτική Διάταξη Συλλογή Δεδομένων Ανάλυση Δεδομένων Φυσική - Νέα Γνώση Συνέργεια πολλών: Δέσμες σωματιδίων Ανιχνευτές Ηλεκτρονικά Υπολογιστές Πειράματα στο CERN: πειράματα στο LEP: > 300 άτομα πειράματα στο LHC: > 2000 άτομα (φυσικοί, μηχανικοί, τεχνικοί)

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές4 Για να μάθουμε κάτι από τις συγκρούσεις που παρέχει ο επιταχυντής, Χρειαζόμαστε Ανιχνευτές Σκοπός: - Να μετρήσουμε την ενέργεια και την ορμή των σωματιδίων που παράγονται στις συγκρούσεις - Να ταυτοποιήσουμε το είδος των σωματιδίων Αλλα πώς;

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές5 Ανίχνευση σωματιδίων Η ανίχνευση των σωματιδίων βασίζεται στην αλληλεπίδρασή τους με την ύλη που διασχίζουν Φωτογραφικές πλάκες: οι πρώτοι ανιχνευτές σωματιδίων 

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές6 Ιχνηλασία (“tracking”) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός HV + - Φορτισμένο σωματίδιο - + Παλμός ρεύματος Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό)

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές7 Ιχνηλασία (“tracking”) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός HV + - Φορτισμένο σωματίδιο - + Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό) HV

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές8 Μέτρηση ορμής φορτισμένου σωματιδίου B v F R Τροχιά φορτισμένου σωματιδίου Β => Μετράμε την ορμή (p) από την καμπύλωση (R) της τροχιάς φορτισμένου σωματιδίου σε μαγνητικό πεδίο B. Η δύναμη Lorentz |F| = q v B δίνει κεντρομόλο επιτάχυνση, άρα: F = p v / R => Όσο μεγαλύτερη η ορμή (p) του σωματιδίου, τόσο μεγαλύτερη η ακτίνα καμπυλότητας (R) της τροχιάς που ιχνηλατούμε → ~ ευθείες τροχιές έιναι από ενεργητικά σωματίδια!

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές9 Ιχνηλασία (tracking) Διέλευση από ανιχνευτές – συνήθως ιονισμού, αλλά και ημιαγωγών: Ανακατασκευάζουμε “το ίχνος”/”την τροχιά” του φορτισμένου σωματιδίου:  Η δύναμη Lorentz δίνει κεντρομόλο επιτάχυνση, άρα: F = q v B = p v / R → p = 0.3 B R p σε GeV/c, B σε Tesla, R σε m R Β

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές10 Μέτρηση της ενέργειας σωματδίου Αποροφούμε το σωματίδιο σε κατάλληλο θερμιδόμετρο– καλορίμετρο και μετράμε την ενέργεια που αποροφήθηκε = η αρχική ενέργεια του σωματιδίου Στα θερμιδόμετρα-καλορίμετρα μετρούμε και την ενέργεια ουδέτερων σωματιδίων (για τα οποία δεν έχουμε μέτρηση από ιχνηλασία) Προσπίπτων σωματίδιο σε θερμιδόμετρο-καλορίμετρο.

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές11 Ηλεκτρόνια και φωτόνια σε “πυκνή ύλη” - EM shower Pair production (δίδυμη γένεση) X 0 = radiation length = average distance a high energy electron has to travel before reducing it’s energy from E 0 to E 0/ /e by photon radiation. Bremsstahlung

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές12 Καλοριμετρία – Stopping particles The energetic electron radiates photons which convert to electron-positron pairs which again radiate photons which... This is the electromagnetic shower. Let us have a look at interaction of different particles with the same high energy (here 300 GeV) in a big block of iron: electron muon pion (or another hadron) The energetic muon causes mostly just the ionization... The strongly interacting pion collides with an iron nucleus, creates several new particles which interact again with iron nuclei, create some new particles... This is the hadronic shower. You can also see some muons from hadronic decays. Electrons and pions with their “children” are almost comple- tely absorbed in the sufficiently large iron block. 1m

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές13 Όλα μαζί σ' έναν ανιχνευτή

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές14 Αλληλεπίδραση σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές15 Αλληλεπίδραση διαφόρων σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Η θέση των διαφόρων τύπων ανιχνευτών σ' ένα πείραμα συγκρουόμενων δεσμών

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές16 Πειραματικές διατάξεις σε επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών e+e+ e-e-

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές17 Χρειαζόμαστε μεγάλους ανιχνευτές T. Virdee, ICHEP m 22 m 7000 T (όσο ζυγίζει το σίδηρο στον πύργο του Eiffel)

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές18 ATLAS 22 μέτρα, 7000 τόνοι

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές19 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό)

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές20 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Μια σύντομη περιήγηση στους χώρους του εργαστηρίου Το 1997 δημιουργήθηκε στο ΑΠΘ ένα εργαστήριο για την κατασκευή και τον έλεγχο ανιχνευτών μιονίων. Χώρος Ελεγχόμενων Συνθηκών

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές21 CMS 15 μέτρα, τόνοι (λίγο περισσότερο από το συνολικό βάρος του πύργου του Eiffel)

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές22 CMS Όχι μόνο “σιδερικά”, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές23 Στο LHC χρειαζόμαστε ανιχνευτές που.. * Να βλέπουν ένα δισεκατομύριο συγκρούσεις πρωτονίων το δεπτερόλεπτο, * Nα διαλέγουν τις καλύτερες ανά δεπτερόλεπτο * και να τις καταγράφουν με διακριτική ικανότητα φωτοφραφικής μηχανής των 100 Μεγα pixleς.

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές24 Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των “καλύτερων” 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές25 Το online σύστημα επιλογής πρέπει να είναι έξυπνο και γρήγορο

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές26 Υπολογιστές παντού – παγκόσμιο δίκτυο (Grid) * Μετά το world-wide web (WWW) που ανακαλύφθηκε στο CERN, ένα ακόμα βήμα προς ένα αποκεντρωμένο υπολογιστικό μοντέλο * Απαραίτητο για την ανάλυση και αποθήκευση των παργόμενων δεδομένων * Π.χ., το πείραμα ATLAS καταγράφει πληροφορίες όσο ένα CD κάθε ~2 δεπτερόλεπτα 15 χλμ 20 χλμ

Θ/νίκη - 28-Φεβ-2013Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές27 Τι συζητήσαμε Μέτρηση ορμής και ενέργειας σωματιδίων Διατάξη ανιχνευτών για την ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων  Ηλεκτρόνια και φωτόνια (σταματούν στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο)  Μιόνια (διατρητικά)  Νετρίνα (δεν αλληλεπιδρούν → η “χαμένη ενέργεια”)  Αδρόνια (πίδακες σωματιδίων = jets) Πειραματικές διατάξεις σε κυκλικούς επιταχυντές