Bevezetés a kísérle. részecskefizikába Detektorok Pásztor Gabriella
[email protected]
H.-C. Schultz-Coulon, Detector lectures: h
μSR (Muon Spin RotaGon/RelaxaGon/Resonance/Research) • The broadest applicaGon of the μSR technique is as a magneGc probe. Beams of posi.ve muons are created with their spins lined up in the same direcGon. When these beams are shot into a material, the muons’ spins precess around the local magne.c fields in the material. The unstable muons soon decay into positrons; since these anG-electrons tend to be emi<ed in the direcGon of the muons’ spin, one can examine how the internal magne.c fields of different materials have affected the muons’ spins by observing the direc.ons in which the positrons are emiBed. • Another applicaGon of the μSR technique is to examine the proper.es of hydrogen inside different materials. Muonium is very much like hydrogen, except that the electron orbits around a muon instead of a proton. By looking at the chemical reac.ons of muonium atoms, one can examine how hydrogen atoms would react in various materials. This research is especially important in semiconductors since hydrogen influences their conducGve behaviour. h
• Nega.ve muons ~ Heavy electrons • Posi.ve muons ~ Light protons
μSR (Muon Spin RotaGon/RelaxaGon/Resonance/Research)
h
K 0 és K 0 − − − 0 0 Erős kcsh sajátállapotok (K = ds, K = ds)
• • CP-tükrözés egymásba alakítja őket, ritkaságuk ellentétes • Instabilak, pl. mindke<ő bomolhat π+π− és π+π−π0 állapotokra • Részecskék: fizikai állapotok jól definiált tömeggel és éle<artammal (a Hamilton operátor sajátállapotai mind az erős, mind a gyenge kcsh-t figyelembe véve) • A szuperpozíciói: CP sértő 𝜖 K 0 és K 0 +π− -ra paraméter – K0S = : CP=+1 (ha p=q), gyorsan elbomlik π pK 0 + qK 0 semleges kaon – K0L = : CP=−1 (ha p=q), hosszabb éle<artam, pK 0 - qK 0 keveredésben: + − π π bomlás Glto< a CP szimmetria mia< + − + − + − • CP(π π ) = P(π π ) C(π π ) = (+1)·(+1) = +1, ha L=0 pályamomentumú az állapot (s-hullám) • CP(π+π−π0) = CP(π+π−) CP(π0) = (+1) (−1) = −1 0 0 K és K • keletkezik erős kcsh-ban, a keletkeze< K0 a K0S és a K0L szuperpozíciója • ΔS = ΔQ szabály megengedi mind a π+π−, mind a π+π−π0 bomlásokat • De e+νeπ− csak K0-ból keletkezhet, míg e−ν− eπ+ csak anG-K0-ból
CP tükrözési szimmetria sértés • Paritás vagy tértükrözés, P: (x,y,z) → (-x,-y,-z) 1957: a bal-kezes neutrínó jobb-kezes tükörpárját nem észlelik ➝ paritássértés • Töltés-tükrözés, C: részecske → anGrészecske Γ(e + ) − Γ(e− ) ~ 0.00332 ± 0.00006 • CP tükrözés: Γ(e + ) + Γ(e− ) (pl. bal-kezes ν → jobb-kezes anG-ν) (du ) (d u) 1964: CP-sértés gyenge folyamatokban, semleges K0 mezonok bomlásában € € € 1980: Cronin, Fitch kísérleG Nobel díj • A részecskefizika Standard Modellje leírja - - a CP-sértés jelenségét, ám meg nem magyarázza annak eredetét • Anyag - anGanyag aszimmetria: az univerzumban minden anyag részecskére ~1010 foton (1010 megsemmisült részecske - anGrészecske pár) jut • Az ismert CP sértő folyamatok lényegesen ritkábbak, mint amit az univerzumban észlelt aszimmetria magyarázata ígényel • Fontos kutatási irány napjainkban is a CP sértés 2013. augusztus 12-16
48
CP tükrözési szimmetria sértés
CP tükrözési szimmetria sértés
Cronin and Fitch kísérlet • Két fajta semleges kaon: tömegük azonos, de éle<artamuk különböző CP=+1
• Ha CP megmarad, KL nem bomolhat 2 pionra • Semleges kaonok keltése után kivárjuk K0S elbomlását • Ha CP megmarad, nem észlelhetünk két pionos bomlást • Gyenge CP sértés • 1980 Nobel-díj
CP sajátállapotok: CP=-1 CP(K0S)=-1, CP(K0L)
CKM mátrix •
A W bozon csatolása a bal-kezes kvarkokhoz:
•
A CKM (Cabibbo – Kobayashi – Maskawa) mátrix |Vus|2 – annak a valószínűsége, hogy egy s kvark u kvarkká alakul
• •
Unitér Parametrizálható 3 keveredési szög (θ12, θ13, θ23 : 0 – π/2) és egy CP sértő fázis (δ) segítségével
•
𝛿 felelős minden CP-sértő jelenségért a SM-ben
CPT-invariancia • A térelmélet alaptétele: CPT |p(r, t) > ~ |p(-r, -t) > ~ |p(r, t) > _ Szabad anG-részecske ~ tér-időben visszafelé haladó részecske • CPT sérülése komoly problémákat okozna. Sérülne – a kölcsönhatások lokalitása, a kauzalitás, vagy – az unitaritás, az anyag, információ, … megmaradás, vagy – A Lorent-invariancia. • Feltételezés: CPT nem sérül • Ellenőrizni kell (vannak CPT-sértő modellek) – Páldául a kaon és anG-kaon tömegének rela‚v különbsége < 10-18 • CERN AD anG-proton lassító (ALPHA, ASACUSA, ATRAP): proton – anG-proton (m, q, μ) összehasonlítás hidrogén – anG-hidrogén (spektroszkópia) összehasonlítás 2013. augusztus 12-16
Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába
53
Részecskék útja az anyagon át
Részecske detektálás •
Részecskék áthaladásának észlelése, lendületének / energiájának mérése, ‚pusának azonosítása (tömeg, töltés, spin, mágneses momentum, éle<artam, kölcsönhatások)
•
Stabil részecskék: e, p [uud], 𝛾, ν
•
A többi részecske elbomlik s = 𝛾v𝜏 út megtétele után (v: sebesség, 𝛾 = 1 / √(1-β2): Lorentzfaktor, 𝜏: átlagos éle<artam a részecske nyugalmi rendszerében)
•
RelaGviszGkus részecskék, amelyek éle<artama 𝜏≳10-10 s (pl. μ, n [ddu], π± [ud/du], K± [us/ su]) néhány méter utat megtehetnek a detektorban: közvetlenül észlelhetők
•
Rövid éle<artamú részecskék elbomlanak mielő< jelentős utat tehetnének meg, így csak bomlástermékeik detektálhatók
•
A részecskék detektálására és azonosítására használt kísérle. technikák a részecskék anyaggal való kölcsönhatásának természetére épül
From Mark Thompson: Modern ParGcle Physics (p.12)
Hogyan detektáljuk a részecskéket? • A részecskének, hogy detektálhassuk – Kölcsönhatásba kell lépnie a detektor anyagával – Energiát kell leadnia valamilyen felismerhető módon (jel) • A részecskék detektálása az általuk beutazoB anyagban elszenvedeB energiaveszteségen alapul • TöltöB részecskék: ionizáció, fékezési sugárzás, Cerenkov sugárzás, … (többszörös kcsh.) • Fotonok: fotoelektromos hatás, Compton-szórás, e+e− párkeltés (egyszeri kcsh.) • Hadronok: Magreakciók (többszörös kcsh.) • Neutrínók: Gyenge kcsh. • Részecskeazonosítás: tömeg, töltés, spin, … egyéb kvantumszámok
Kölcsönhatások (példák)
Részecskék és az anyag kölcsönhatásai • TöltöB részecskék elektromágneses kölcsönhatásai à Mai előadás • Fotonok elektromágneses kölcsönhatásai • Töltö< és semleges hadronok erős kölcsönhatásai
Töltö< részecskék kölcsönhatásai: ionizáció • RelaGviszGkus részecskék elektromágnesesen kölcsönhatnak a közeg atomjainak elektronjaival és az atomok ionizálásával energiát vesztenek el • A kölcsönhatást az elektronokkal való rugalmas ütközés dominálja • Ionizációs energiaveszteség egységnyi úthosszon egységnyi sűrűségre: Bethe-Bloch formula (nehéz részecskékre M>>me)
[·ϱ] - - - - - - - -
Részecske töltése: z … sebessége: β = v / c … Lorentz-tényezője: 𝛾 = (1 – β2)-1/2 β𝛾 = p / (m·c) Az anyag rendszáma: Z … tömegszáma: A Átlagos gerjesztési energia az anyagban: I ∼ 10·Z eV Maximum energia átadás egy ütközésben: Wmax [MeV] a részecske tömegétől és sebességétől függ
• A fenG formula 0.1 < β𝛾 < 1000 esetén, közepes rendszámú anyagokra pár %-os pontossággal jó
Maximális energiaátadás az ütközésben
Ionizációs energiaveszteség • Az energia veszteség nem nagyon függ az anyag fajtájától (
∼ Z/A ∼ 1/2), kivéve a sűrűségen keresztüli függést • Minimális ionizációs energiaveszteség β𝛾 ≈ 3-4 körül kb. 1-2 MeV/(g cm-2) “minimum ionising“ részecskék • Kis sebességeknél ∼ 1/β2 gyorsan nő: lassabb részecske tovább érzi az atomi elektronok elektromos terét
Ionizációs energiaveszteség • Nagyon relaGviszGkus részecskéknél (v≈c) β𝛾>4: ∼ ln(β𝛾) “relaGvisGc rise” – Nagy energiás részecske: a sebességre merőleges tér erősödik a Lorentztranszformáció mia<, E⊥→ 𝛾·E⊥ – A kölcsönhatási keresztmetszet nő
• Korrekciók: – Alacsony energián: héj korrekció (általában kicsi) • Amikor a részecske sebessége megközelíG az elektron pályasebességét • A feltételezés, hogy az elektron nyugalomban van sérül • Elektron befogás lehetővé válik
– Magas energián: sűrűség korrekció • Sűrűség-függő polarizációs hatás: a részecske útjától távoli elektromos tér árnyékolása korlátozza a hosszú távú hozzájárulást • Nagy 𝛾-nál jelentősebb: elektromos tér “hatótávolsága” nő, bmax nagyobb
Pionok energiavesztesége rézben
Részecskefelismerés dE/dx méréssel
ALICE Time ProjecGon Chamber
Az energiavesztés fluktuációi
Eδ > I
Átlagos behatolási mélység Range of heavy parGcles in ma<er
Elektronok ionizációs energiavesztesége Emlékeztető nehéz töltö< részecskékre: [·ϱ]
• A Bethe-Bloch formula módosításra szorul, mert a beeső részecske tömege megegyezik az atomi elektronok tömegével • Azonos, megkülönbözhetetlen részecskék szórása: + F(𝛾) - δ
[·ϱ]
• Maximális energiaveszteség az ütközésben: Nem megkülönböztethető részecskékre: • Alacsony energiás pozitronok más bánásmódot igényelnek a számolásban, mivel nem azonosak az elektronokkal (megkülönböztethetők)
Fékezési sugárzás (bremsstrahlung)
X0: sugárzási hossz à fontos paraméter az elektromágneses kaloriméterek tervezésénél
KriGkus energia Ahol az ionizációs energiaveszteség megegyezik a sugárzási energiaveszteséggel
Elektronok teljes energiavesztesége
Müonok kölcsönhatásai az anyaggal • Minden részecske veszít energiát az anyagban, amelyen áthalad ionizáción keresztül • A részecske fajtájától függően más mechanizmusokkal is veszíthet energiát, sőt az ionizációs veszteség akár elhanyagolható is lehet ezekhez képest (lásd elektronok!) • 100 GeV energia ala“ müonoknál az ionizációs energiaveszteség a domináns! • Müonok így hosszú utat tehetnek meg sűrű anyagokban (pl. vasban) – E=10 GeV müon 13 MeV/cm energiát veszít vasban • Részecskegyorsítóknál a müonok általában az egész detektoron áthaladnak, hosszú ionizációs nyomot hagyva maguk után à ezen alapul a müon felismerés, mivel minden más részecske részt vesz egyéb kölcsönhatásokban is és így nem érheG el a detektor külső rétegeit
Töltö< részecskék kölcsönhatásai • •
•
A közeggel, amelyen áthalad, a töltö< részecske elektromágneses kölcsönhatásba lép foton cserével Lehetséges folyamatok – Ionizáció [lásd az előbbieket] (rövid hatótávolságú virtuális fotonok ionizálják a közeg atomjait) – Cherenkov sugárzás (ha a közeg átlátszó, EM sugárzást bocsájthat ki egy bizonyos határ fölö< ) – ÁtmeneG sugárzás (EM sugárzás, ha a dielektromos állandó nem folytonosan változik, közeg határon) – Fékezési sugárzás [lásd az előbbieket] (Coulomb térben fékeződő részecske valós fotont bocsájt ki) Az energia veszteség vagy a kibocsájto< sugárzás intenzitásának kiszámításához figyelembe kell venni – A töltö< részecske sebességét: v= β·c – A közeg dielektromos állandóját: 𝜀 = 𝜀1 + i𝜀2 • Leírja a (virtuális) fotonok kölcsönhatását a közeg atomjaival • 𝜀1 : fénytörés (→ fázis sebesség vátozása) • 𝜀2 : foton elnyelés (→ elnyelési hatáskeresztmetszet)
Cherenkov sugárzás
Cherenkov sugárzás • Alacsony energiájú fotonok (E < gerjesztési energia): 𝜀2 = 0 → σ𝛾 absorbGon = 0
• Küszöb viselkedés 𝜀1 > 1/β2 értéknél: 0 → π • Cherenkov threshold: 1 < β√𝜀1 = β·n, azaz β > 1/n • Cherenkov szög: cosθc = 1/(n·β)
∼ 1 / λ2
Cherenkov sugárzó anyagok
Részecskeazonosítás Cherenkov sugárzás mérésével
Részecskeazonosítás Cherenkov sugárzás mérésével
Részecskeazonosítás Cherenkov sugárzás mérésével
Részecskeazonosítás Cherenkov sugárzás mérésével
