Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 3: Πειράματα-Ανιχνευτές (β' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης.

Παρουσίαση με θέμα: "Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 3: Πειράματα-Ανιχνευτές (β' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 3: Πειράματα-Ανιχνευτές (β' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 16 Μαρτίου 2010

2 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β2 Τι θα συζητήσουμε Επιταχυντές και ανιχνευτές – προηγούμενο μάθημα Πειραματικές διατάξεις  Ιχνηλασία και Καλοριμετρία Αλληλεπίδραση σωματιδίων με την ύλη Ακρίβεια μέτρησης ορμής/ενέργειας με κάθε τεχνική  Διάφορες μετρήσεις Πιθανότητα διακλάδωσης (Branching Ratio) Μάζα Χρόνος ζωής =Lifetime (από decay length) Κινηματική και μονάδες

3 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β3 Προηγoύμενο μάθημα Επιταχυντές:  Φωτεινότητα και ενεργός διατομή  Συγκρουστές ηλεκτρονίων – precision machines  Συγκρουστές πρωτονίων – discovery machines Ουσιαστικά συγκρούονται κουάρκ ή γκλουόνια μέσα στα πρωτόνια Ανιχνευτές:  Ιχνηλασία και καλοριμετρία  Διάταξη ανιχνευτικών διατάξεων σε πειράματα σθγκρουόμενων δεσμών Προηγούμενο μάθημα

4 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β4 Προηγoύμενο μάθημα x = momentum fraction Σύγκρουση πρωτονίων Σ ύγκρουση p p: τα x a, x b είναι τυχαία Πλεονεκτήματα: διερευνούμε μια περιοχή της Ε C M : καλό για ανακάλυψη άγνωστων/νέων σωματιδίων Μειονεκτήματα: → Δεν είναι γνωστό ποιά σωματίδια αλληλεπέδρασαν => περίπλοκοι υπολογισμοί → η Ε C M ΔΕΝ είναι γνωστή εκ των προτέρων => θέλουμε p p δέσμες μεγάλης ενέργειας για να έχουμε αρκετή πιθανότητα για μεγάλα p a, p b => για παραγωγή βαρέων σωματιδίων → x a ≠ x b => p a ≠ -p b => C.M. ‘boosted’ w.r.t. lab frame => δεν ξέρουμε την αρχική ορμή κατά μήκος των δεσμών πρωτονίων (άξονας z) => μόνο (x,y)

5 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β5 Ιχνηλασία (“tracking”) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός HV + - Φορτισμένο σωματίδιο - + Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό) HV + - - +

6 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β6 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!

7 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β7 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.

8 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β8 Αλληλεπίδραση σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων

9 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β9 Αλληλεπίδραση διαφόρων σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Η θέση των διαφόρων τύπων ανιχνευτών σ' ένα πείραμα συγκρουόμενων δεσμών

10 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β10 Πειραματικές διατάξεις σε επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών e+e+ e-e-

11 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β11 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό)

12 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β12 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

13 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β13 Στο LHC χρειαζόμαστε ανιχνευτές που.. * Να βλέπουν ένα δισεκατομύριο συγκρούσεις πρωτονίων το δεπτερόλεπτο, * Nα διαλέγουν τις καλύτερες 100-200 ανά δεπτερόλεπτο * και να τις καταγράφουν με διακριτική ικανότητα φωτοφραφικής μηχανής των 100 Μεγα pixleς.

14 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β14 Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των “καλύτερων” 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο

15 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β15 Το online σύστημα επιλογής πρέπει να είναι έξυπνο και γρήγορο

16 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β16 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

17 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β17 Τι καινούργιο θα συζητήσουμε σήμερα Πειραματικές διατάξεις  Ιχνηλασία και Καλοριμετρία Αλληλεπίδραση σωματιδίων με την ύλη Ακρίβεια μέτρησης ορμής/ενέργειας με κάθε τεχνική Διάφορες μετρήσεις Πιθανότητα διακλάδωσης (Branching Ratio) Μάζα Χρόνος ζωής =Lifetime (από decay length) Κινηματική και μονάδες

18 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β18 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

19 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β19 Ακρίβεια μέτρησης ορμής Η ακρίβεια μέτρησης της ορμής μεγαλώνει (δηλ., η αβεβαιότητα μικραίνει), με:  Πολλά σημεία μετρήσεων  Μεγάλο Β  Μεγάλο μήκος ανιχνευτή (L) σ(p)/p T = const * p T → όσο μεγαλύτερη η ορμή, τόσο πιο ανακριβής (%) η μέτρηση ε=ακρίβεια μέτρησης σημείου (π.χ. ε=0.3mm)

20 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β20 Για να υπολογίσουμε την απώλεια ενέργειας ανά μονάδα απόστασης (dE/dx, σε MeV/cm), πρέπει να πολλαπλασιάσουμ ε το 1/ρ dE/dx (σε MeV cm 2 /g) με την πυκνότητα ρ του υλικού. Φορτισμένο σωματιδίο χάνει ένεργεια διαπερνώντας την ύλη: specific Energy Loss (1/ρ dE/dx) 1/ ρ dE/dx βγ Ένα σωματίδιο διασχίζει ένα υλικό με πυκνότητα ρ. Ανάλογα με την ορμή του, το σωματίδιο χάνει ενέργεια και με διαφορετικό μηχανισμό. Π.χ., στην περιοχή βγ=[0.1 – 1000] (περιοχή Bethe-Bloch) έχουμε απώλειες με ιονισμό του υλικού. Από εκεί και πάνω, η απώλεια ενέργειας είναι κυρίως λόγω εκπομπής φωτονίων (δηλ., με radiation = Bremsstahlung)

21 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β21 Απώλεια ενέργειας με ιονισμό και διέγερση του υλικού (Bethe- Bloch) Bethe Bloch Formula Z 1 e = φορτίο προσπίπτοντος σωματιδίου β=η ταχύτητά του ρ,Ζ,Α = πυκνότητα κλπ του ανιχνευτή Π.χ., Φορτισμένα σωματίδια (από κοσμική ακτινοβολία) διαπερνούν υλικό πυκνότητας ρ. → Η απώλεια ενέργειάς του είναι μεγαλύτερη, όσο περισσότερο φορτίο έχει το σωματίδιο: dE/dx ~ Z 1 2

22 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β22 Απώλεια ενέργειας με ιονισμό και διέγερση του υλικού (Bethe- Bloch) Bethe Bloch Formula Z 1 e = φορτίο προσπίπτοντος σωματιδίου β=η ταχύτητά του ρ,Ζ,Α = πυκνότητα κλπ. του ανιχνευτή The specific Energy Loss 1/ρ dE/dx first decreases as 1/  2 increases with ln  for  =1 is  independent of M (M>>m e ) is proportional to Z 1 2 of the incoming particle. is  independent of the material (Z/A  const) shows a plateau at large  (>>100) dE/dx  1-2 * ρ [g/cm 3 ] MeV/cm 1/ ρ dE/dx βγ=p/Mc

23 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β23 π.χ. Μιόνιο διαπερνά σίδερο - απώλεια ενέργειας (Energy Loss) Bethe Bloch Formula, a few Numbers: “a minimum ionizing particle (MIP)” Σημειώστε ότι για Z  0.5 A: 1/  dE/dx  1.4 MeV cm 2 /g, όταν βγ  3 (minimum ionizing) Παράδειγμα : Σίδερο: πάχος = 100 cm; ρ = 7.87 g/cm 3 dE ≈ 1.4 * 100* 7.87 = 1102 MeV  A 1.15 GeV Muon can traverse 1m of Iron! 1/  Για να υπολογίσουμε την απώλεια ενέργειας ανά μονάδα απόστασης (dE/dx, σε MeV/cm), πρέπει να πολλαπλασιάσουμε το 1/ρ dE/dx (σε MeV cm 2 /g) με την πυκνότητα ρ του υλικού.

24 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β24 Particle identification from energy loss  Energy loss depends on the particle velocity and is ≈ independent of the particle’s mass M.  The energy loss as a function of particle momentum P= Mcβγ IS however depending on the particle’s mass  By measuring the particle momentum (deflection in the magnetic field) and measurement of the energy loss one can measure the particle mass  Particle Identification !

25 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β25 Particle identification from energy loss Measure momentum by curvature of the particle track. Find dE/dx by measuring the deposited charge along the track.  Particle Identification (“particle ID”)

26 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β26 Particle of mass M and kinetic Energy E 0 enters matter and looses energy until it comes to rest at distance R (=range of particle). Σωμάτια σταματούν – απόσταση(range)

27 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β27 Particle of mass M and kinetic Energy E 0 enters matter and looses energy until it comes to rest at distance R (=range of particle). Σωμάτια σταματούν – απόσταση(range) Bragg Peak: For  >3 the energy loss is  constant (Fermi Plateau) As the energy of the particle falls, below  =3, the energy loss rises as 1/  2 Towards the end of the track the energy loss is largest  Cancer Therapy

28 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β28 Χωρική κατανομή εναπόθεσης της ενέργειας Average Range: Towards the end of the track the energy loss is largest  Bragg Peak  Cancer Therapy Photons 25MeVCarbon Ions 330MeV Depth of Water (cm) Relative Dose (%) Cobalt 60 → γ γ (~1 MeV each) Electrons 21 MeV Εναπόθεση της ενέργειας της ακτινοβολίας/σωματιδίων με ακρίβεια στην παθογενή περιοχή

29 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β29 Ιχνηλασία (tracking) – άλλες μετρήσεις Μέτρηση φορτίου: Μέτρηση χρόνου ζωής:  Από το διάστημα πτήσης πριν τη διάσπαση length = βγτ c η πιθανότητα διάσπασης ~e -(t/τ) Το μαγνητικό πεδίο εκτός του επιπέδου

30 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β30 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

31 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β31 Ηλεκτρόνια/φωτόνια – μπορείς έυκολα να τα σταματήσεις Electron Momentum 5 50 500 MeV/c - Muon in Copper: σε p  400GeV φτάνει κριτική ενέργεια - Electron in Copper: σε p  20MeV φτάνει κριτική ενέργεια Critical Energy (κριτική ενέργεια): όταν dE/dx (Ionization) = dE/dx (Bremsstrahlung) For the muon (the second lightest particle after the electron) the critical energy is at 400GeV.

32 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β32 Ηλεκτρόνια/φωτόνια – μπορείς έυκολα να τα σταματήσεις Electron Momentum 5 50 500 MeV/c - Muon in Copper: σε p  400GeV φτάνει κριτική ενέργεια - Electron in Copper: σε p  20MeV φτάνει κριτική ενέργεια → The EM Bremsstrahlung is therefore only relevant for electrons (at the energies of the past and present Detectors) → μόνο τα ηλεκτρόνια κάνουν ΕΜ shower Critical Energy (κριτική ενέργεια): όταν dE/dx (Ionization) = dE/dx (Bremsstrahlung) For the muon (the second lightest particle after the electron) the critical energy is at 400GeV.

33 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β33 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

34 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β34 Καλοριμετρία – ακρίβεια μέτρησης ενέργειας Όσο μεγαλύτερη η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου → τόσο περισσότερα σωματίδια παράγονται στο shower → τόσο περισσότερες μετρήσεις έχουμε για το shower → τόσο καλύτερη μέτρηση της ενέργειας έχουμε σ(Ε)/Ε ~ 1/sqrt(Ε). Π.χ., σ(Ε)/Ε = 10% / sqrt(Ε)

35 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β35 Καλοριμετρία – ακρίβεια μέτρησης ενέργειας Όσο μεγαλύτερη η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου → τόσο περισσότερα σωματίδια παράγονται στο shower → τόσο περισσότερες μετρήσεις έχουμε για το shower → τόσο καλύτερη μέτρηση της ενέργειας έχουμε σ(Ε)/Ε ~ 1/sqrt(Ε). Π.χ., σ(Ε)/Ε = 10% / sqrt(Ε) +quad 2% Δηλαδή: αντίθετα με τη μέτρηση της ορμής, η μέτρηση της ενέργειας στον καλορίμετρο γίνεται όλο και πιο ακριβής όσο μεγαλώνει η ενέργεια του μετρούμενου σωματιδίου! σ(Ε)/Ε (%) Ε (GeV) Tracking: σ(p)/p = 1% * p Calorimtery: σ(E)/E = 10%/sqrt(E) +quad 2% Από κάποια ενέργεια ηλεκτρονίων και πάνω, η μέτρηση ενέργειας από τον καλορίμετρο είναι πολύ καλύτερη απο του tracker

36 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β36 Όλα μαζί σ' έναν ανιχνευτή

37 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β37 Παράδειγμα μέτρησης – Branching Ratios Π.Χ., θέλουμε να μετρήσουμε τα ποσοστά διακλάδωσης του Ζ στις διάφορες τελικές του καταστάσεις  Branching fractions ή Branching Ratios → αυτό είναι ένα “counting experiment”: μεράμε πόσες φορές το Ζ “πέθανε” με το έναν ή τον άλλο τρόπο. Για να το κάνουμε αυτό πρέπει πρώτα να ανιχνεύσουμε τα μποζόνια Ζ που παράγονται και να ταυτοποιήσουμε την κάθε διάσπαση  Θα δούμε μερικά παραδείγματα, από δεδομένα στον προηγούμενο επιταχυντή του CERΝ, τον LEP (συγκρουστήρας ηλεκτρονίων-ποσιτρονίων)

38 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β38 Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ

39 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β39 Οι διασπάσεις του Z Z → e + e - ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο Z →  +  - μιόνια Z →  +  - λεπτόνια ταυ Z → q q quark (αδρόνια) Z → ν ν νετρίνο-αντινετρίνο → Θα δούμε πώς ταυτοποιούμε τις διασπάσεις αυτές (για να μετρήσουμε την πιθανότητά τους να συμβούν)

40 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β40 Η ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων

41 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β41 Z → e+ e- (1) Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e+e+ e-e-

42 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β42 Z → e+ e- (2) Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο φορτισμένα σωματίδια 180° το ένα απο το άλλο Ανιχνευτές ιχνών e+e+ e-e-

43 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β43 Z → e+ e- (3) Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο φορτισμένα σωματίδια 180° το ένα απο το άλλο → Μεγάλη απόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο/καλορίμετρο Ανιχνευτές ιχνών e+e+ e-e- e

44 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β44 Z → e+ e- (4) Το μέγεθος της στήλης είναι ανάλογο της ενέργειας που αποτέθηκε στα καλορίμετρα Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο φορτισμένα σωματίδια 180° το ένα απο το άλλο → Μεγάλη απόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο/καλορίμετρο

45 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β45 Z → μ+ μ- (1) → Δύο φορτισμένα σωματίδια 180° το ένα απο το άλλο Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e-e- e+e+

46 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β46 Z → μ+ μ- (2) → Δύο φορτισμένα σωματίδια 180° το ένα απο το άλλο → Ίχνη διέλευσης σωματιδίων και στους ανιχνευτές μιονίων Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e-e- e+e+ μ μ

47 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β47 Z → μ+ μ- (3) → Δύο φορτισμένα σωματίδια 180° το ένα απο το άλλο → Ίχνη διέλευσης σωματιδίων και στους ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων

48 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β48 Z → ν ν Z → e + e - ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο Z →  +  - μιόνια Z →  +  - λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e - ν e ν μ ή μ - ν e ν μ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ν μ Z → q q quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z → ν ν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος → αόρατα για τον ανιχνευτή → δεν βλέπουμε ενέργεια στον ανιχνευτή.

49 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β49 Z → q q Z → e + e - ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο Z →  +  - μιόνια Z →  +  - λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e - ν e ν μ ή μ - ν e ν μ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ν μ Z → q q quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων (“jet”) με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z → ν ν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος → αόρατα για τον ανιχνευτή!

50 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β50 Z → q q (1) → 2-3 πίδακες (“jets”) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e-e- e+e+

51 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β51 Z → q q (2) → 2-3 πίδακες (“jets”) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ → ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο από φορτισμένα σωμάτια ή όχι (π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e-e- e+e+ jet

52 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β52 Z → q q (2 πίδακες) → 2 πίδακες(“jets”) σωματιδίων ~180° ο ένας από τον άλλο → ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο (από φορτισμένα σωμάτια ή όχι, π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα

53 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β53 Z → q q (3 πίδακες) → 3 πίδακες(“jets”) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ → ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο από φορτισμένα σωμάτια ή όχι (π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα

54 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β54 Z →  +  - (1) Z → e + e - ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο Z →  +  - μιόνια Z →  +  - λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e - ν e ν τ ή μ - ν μ ν τ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ν τ Z → q q quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z → ν ν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος → αόρατα για τον ανιχνευτή!

55 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β55 Z →  +  - (2) Z → e + e - ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο Z →  +  - μιόνια Z →  +  - λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e - ν e ν τ ή μ - ν μ ν τ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ν τ Z → q q quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z → ν ν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος → αόρατα για τον ανιχνευτή! Τα τ διασπόνται ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ το ένα από το άλλο 1) Αλλά πάντα έχουν αρκετά νετρίνα ως προϊόντα → θα μας λείπει πάντα πολύ ενέργεια (> 60 %) 3) Αν έχουμε αδρονικούς πίδακες, αυτοί θα έχουν λίγα σωματίδια

56 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β56 Z →  +  - (3) → 2 σωματίδια, ΟΧΙ σε ~180° το ένα από το άλλο → Έχουμε πολλά νετρίνα: μας λείπει αρκετή ενέργεια Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e-e- e+e+ τ → e + ν + ν τ → μ + ν + ν

57 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β57 Z →  +  - → 2 μ + νετρίνα Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο μιόνια, όχι σε γωνία 180° μεταξύ τους → και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει -

58 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β58 Z →  +  - → 2 e + νετρίνα Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο ηλεκτρόνια → και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει -

59 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β59 Z →  +  - → 2 πίδακες+ νετρίνα Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο πίδακες σωματιδίων (με 3 φορτισμένα ο καθένας) → και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει -

60 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β60 Μονάδες Πολλαπλασιαστικές μονάδες:  για χρονο (s), μήκος (m), ενεέργεια (eV) P (peta)10 1 5 T (tera)10 1 2 G (giga)10 9 M (mega)10 6 k (kilo)10 3 1 m (mili)10 - 3 μ (micro)10 - 6 n (nano)10 - 9 p (pico)10 -1 2 f (fempto)10 -1 5

61 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β61 Κινηματική Ορίζουμε το τετρα-διάνυσμα (p) της ορμής ενός σωματιδίου: p = (E, p) Όπου p είναι το τετραδυάνυσμα, Ε η ενέργεια, και p η τρισ-διάστατη ορμή (p x, p y, p z ) Ο πολλαπλασισμός δύο τετραδιάστατων ορμών είναι αναλοίωτος ως προς το σύστημα αναφοράς και ορίζεται p 1 p 2 = E 1 Ε 2 – p 1 p 2 = σταθερό = ανεξάρτητα του συστήματος αναφοράς Για ένα σωματίδιο: p 2 = E 2 – p 2 = m 2 = σταθερά = η μάζα του (“μάζα ηρεμίας”)

62 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β62 Κινηματική – παράδειγμα μέτρησης μάζας και χρόνου ζωής Κ 0 s → π + π - Το Κ 0 έχει χρόνο ζωής 0.89x10 -1 0 s. Από τη στιγμή που δημιουργείται, ταξιδεύει λοιπόν για απόσταση L και πεθαίνει δίνοτας τη θέση του σε δύο πιόνια. Μετράμε τα μέτρα των ορμών των πιονίων p 1, p 2 και τη μεταξύ τους γωνία, θ. Αν p 1 = 367 MeV, p 2 = 594 MeV, m π = 140 MeV και θ= 51.653 degrees, πόση μάζα μετράμε για το καόνιο; Άλλο πείραμα τώρα: Αν σε πολλά γεγονότα σαν το πιό πάνω, μετράμε πάντα την ενέργεια του Κ 0 s στα 10 GeV, και τη μέση τιμή του L να είναι L = 0.933m, τότε πόσoς είναι ο χρόνος ζωής το καονίου που μετράμε; Απαντήσεις: http://lppp.lancs.ac.uk/lifetime/kaonlifetime.html θ π+π+ π-π- Κ0sΚ0s p1p1 p2p2 L

63 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β63 Κινηματική Μεταφορά από ένα σύστημα σ'ένα άλλο:  Πώς αλλάζει η ενέργεια, πώς αλλάζει η ορμή; Σε συγηρούσεις, υπολογισμός Ενέργειας στο κέντρο μάζας E CM = ενέργεια διαθέσιμη για δημιουργία σωματιδίων Απαντήσεις: Η αρχή του κεφαλαίου της κινηματικής στo PDG έχει έναν ικανοποιητικό τρόπο προσέγγισης http://pdg.lbl.gov/2009/reviews/rpp2009-rev-kinematics.pdf

64 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β64 Τι συζητήσαμε σήμερα Πειραματικές διατάξεις  Ιχνηλασία και Καλοριμετρία Αλληλεπίδραση σωματιδίων με την ύλη Ακρίβεια μέτρησης ορμής/ενέργειας με κάθε τεχνική Διάφορες μετρήσεις Πιθανότητα διακλάδωσης (Branching Ratio) Μάζα Χρόνος ζωής =Lifetime (από decay length) Κινηματική και μονάδες

65 Θ/νίκη - 16-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Β65 Επόμενο: Κινηματική Σκέδαση  Ελαστική και ανελαστική  Ενεργός διατομή σκεδάσεων