Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 2β: Πειράματα-Ανιχνευτές (α' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης.

Παρουσίαση με θέμα: "Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 2β: Πειράματα-Ανιχνευτές (α' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 2β: Πειράματα-Ανιχνευτές (α' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 9 Μαρτίου 2010

2 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α2 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 Παράδειγμα: πώς μπορούμε να ξεχωρίσουμε τους διάφορους τρόπους διάσπασης του μποζονίου Ζ

3 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α3 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)

4 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α4 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;

5 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α5 Ανίχνευση σωματιδίων Η ανίχνευση των σωματιδίων βασίζεται στην αλληλεπίδρασή τους με την ύλη που διασχίζουν Φωτογραφικές πλάκες: οι πρώτοι ανιχνευτές σωματιδίων 

6 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α6 Ιχνηλασία (“tracking”) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός HV + - Φορτισμένο σωματίδιο - + Παλμός ρεύματος Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό)

7 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α7 Ιχνηλασία (“tracking”) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός HV + - Φορτισμένο σωματίδιο - + Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό) HV + - - +

8 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α8 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!

9 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α9 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.

10 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α10 Αλληλεπίδραση σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων

11 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α11 Αλληλεπίδραση διαφόρων σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Η θέση των διαφόρων τύπων ανιχνευτών σ' ένα πείραμα συγκρουόμενων δεσμών

12 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α12 Πειραματικές διατάξεις σε επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών e+e+ e-e-

13 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α13 Χρειαζόμαστε μεγάλους ανιχνευτές T. Virdee, ICHEP08 13 43 m 22 m 7000 T (όσο ζυγίζει το σίδηρο στον πύργο του Eiffel)

14 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α14 ATLAS 22 μέτρα, 7000 τόνοι

15 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α15 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό)

16 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α16 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

17 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α17 CMS 15 μέτρα, 12000 τόνοι (λίγο περισσότερο από το συνολικό βάρος του πύργου του Eiffel)

18 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α18 CMS Όχι μόνο “σιδερικά”, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια

19 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α19 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.

20 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α20 Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των “καλύτερων” 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο

21 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α21 Το online σύστημα επιλογής πρέπει να είναι έξυπνο και γρήγορο

22 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α22 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

23 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α23 Παράδειγμα ανίχνευσης σωματιδίων Το μποζόνιο Ζ και η ανίχνευσή του στον προηγούμενο επιταχυντή του CERΝ, τον LEP (συγκρουστήρας ηλεκτρονίων- ποσιτρονίων)

24 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α24 Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ

25 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α25 Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ

26 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α26 Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ

27 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α27 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)

28 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α28 Η ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων

29 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α29 Z → e+ e- (1) Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e+e+ e-e-

30 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α30 Z → e+ e- (2) Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο φορτισμένα σωματίδια 180° το ένα απο το άλλο Ανιχνευτές ιχνών e+e+ e-e-

31 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α31 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

32 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α32 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

33 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α33 Z → μ+ μ- (1) → Δύο φορτισμένα σωματίδια 180° το ένα απο το άλλο Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e-e- e+e+

34 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α34 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

35 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α35 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

36 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α36 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.

37 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α37 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!

38 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α38 Z → q q (1) → 2-3 πίδακες (“jets”) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Ανιχνευτές ιχνών e-e- e+e+

39 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α39 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

40 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α40 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

41 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α41 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

42 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α42 Z →  +  - (1) Z → e + e - ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο Z →  +  - μιόνια Z →  +  - λεπτόνια ταυ, που είναι ασταθή 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!

43 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α43 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

44 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α44 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

45 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α45 Z →  +  - → 2 μ + νετρίνα Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο μιόνια, όχι σε γωνία 180° μεταξύ τους → και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει -

46 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α46 Z →  +  - → 2 e + νετρίνα Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο ηλεκτρόνια → και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει -

47 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α47 Z →  +  - → 2 πίδακες+ νετρίνα Ανιχνευτής ιχνών Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων → Δύο πίδακες σωματιδίων (με 3 φορτισμένα ο καθένας) → και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει -

48 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α48 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 Παράδειγμα: πώς μπορούμε να ξεχωρίσουμε τους διάφορους τρόπους διάσπασης του μποζονίου Ζ Z → e+e- ή  +  - ή  +  - ή qq ή νν

49 Θ/νίκη - 9-Μαρ-2010Κ. Κορδάς - Ανιχνευτές-Α49 Επόμενο: Ανιχνευτικές Διατάξεις (Detectors)  Μέρος Β' - αρχές λειτουργίας