Historie detekčních technik • nejstarší používaná technika – scintilace pozorované pouhým okem – stínítko ze ZnS ozářené částicemi se pozorovalo mikroskopem a počítaly se záblesky • mlžná komora (1920-1950) – fotografie, objev pozitronu, studium kosmického záření • Geiger- Muellerovy počítače: první elektronický detektor, rozlišení 1cm, frekvence 1kHz
11/10/2004
1
Historie – dráhové detektory • Fyzikové si vždy přáli „vidět“ elementární částice • během let se vyvinuly různé metody, jak dráhy částic
vizualizovat jaderné emulze mlžné komory bublinové komory jiskrové komory streamerové komory 11/10/2004
2
Jaderné emulze • • • •
1945-1960......-? v minulosti nejvíce používaná detekční technika průchod částice se zaznamená jako dráha vyvolaných Ag zrn (průměr ∼0.2µm) MIP částice produkuje asi 270 zrn/1mm vrstva emulze (∼600 µm tlustá) se nanáší na desky, které se spojují dohromady produkované δ-elektrony (s energií 0.1-0.5 keV) zaručují předanou energii dostatečně velkou k vytvoření zrn Měříme:
11/10/2004
energie částic (z doletu) energie částic (z hustoty δ- elektronů) dE/dx (z hustoty exponovaných jader) 3
Jaderné emulze (2) Výhody a nevýhody ☺ výborné prostorové rozlišení ∼1µm ☺ stálá citlivost, 100% efektivita ☺ jednoduchá konstrukce ☹ žádné časové rozlišení ☹ prakticky limitováno na neutrální svazky (ν,n) ☹ terč tvoří směs prvků ☹ nudné a zdlouhavé zpracování na mikroskopu (dnes se používá v kombinaci se spektrometry) 1945 – 1960 objevy částic π, µ, K, Λ v kosmickém záření V r. 1997 ve Fermilabu DONUT– neutrinový svazek s τ neutriny, interakce v ocelových deskaách, měření v τ leptonů v emulsních vrstvách, potvrzení existence τ neutrina. 11/10/2004 4
Jaderné emulze
11/10/2004
5
Mlžné komory (1) Citlivý objem komory je naplněn rovnovážnou směsí plynu a páry,expanse tlak a teplota klesne a pára je přesycená. Na plynových iontech vzniklých při průletu ionizující částice se vytvoří kapičky Komora s dráhami je fotografovaná - stereo Dva typy mlžných komor: • expanzní (Wilsonova), pracuje v cyklech, má citlivou dobu kolem desetin sekund, používá se pro kosmické záření • difuzní, difuze páry do studené oblasti místo expanze, má konstatní citlivost, používala se na experimentech na urychlovačích 11/10/2004 6
Mlžné komory (2) Výhody a nevýhody ☺ relativně velký citlivý objem ☺ možnost triggeru (pro expanzní komoru) ☺ měření na filmech ☺ lepší než emulze ☹ pořád značně pracné ☹ pomalé cyklování ☹ malá hustota terče (náplň komory) ☹ nebezpečí kontaminace ☹ ztráta citlivosti při velkém zatížení 1920-1950 objev pozitronu, studium kosmického záření 11/10/2004
7
Mlžné komory (3) Multi-plate Wilson chamber for cosmic rays
Nov. 1955
11/10/2004
8
Bublinové komory (1) 1960-1980 Kapalina při tlaku nad rovnovážným stavem pára-kapalina ⇒ pohyb pístu ∼1ms po průchodu částice, tlak klesne ⇒ vytvoří se δ-elektrony, ionty při jejich rekombinaci se vyvíjí teplo,které způsobuje vznik bublin. Bubliny rostou až do velikosti ∼10µm, dráhy se stereo-fotografují pomocí blesku. • • • •
měření hustoty bublin umožňuje určit β velká variabilita ve velikostech (od 2m do 10 cm) vodík se používá jako elementární terčík použití jiných kapalin: - deuterium,He,Ne,Ar a Xe (-20) - při pokojové teplotě např. propan • s pomocí těžkých kapalin studium ν interakcí a γ 11/10/2004 konverze
9
Bublinové komory (2) Výhody a nevýhody ☺ velmi dobré prostorové rozlišení (10-150µm) ☺ velký citlivý objem ☺ 4π geometrická akceptance ☺ různé materiály jako terčík ☺ jednoduché určení účinného průřezu ☹ namáhavé měření fotografií ☹ omezená statistika ☹ citlivá doba ∼1ms, nemožnost triggerování pro malé účinné průřezy ☹ komplikovaný provoz,kryogenika,bezpečnost ☹ nedá se použít na urychlovačích vstřícných svazků 1960-1980 objevy resonancí ρ, ω, Ω⁻, neutrálních proudů 11/10/2004
10
Vodíková bublinová komora 30 cm vodíková bublinová komora (CERN)
1970 11/10/2004
11
Objev Ω¯ Ω– in 2-m CERN hydrogen bubble chamber
1973 11/10/2004
12
Gargamelle Bublinová komora s těžkou náplní (freon) - Gargamelle
Sept. 1970
11/10/2004
13
Gargamelle - NC První případ t.zv. neutrálních proudů v Gargamelle, svazek neutrin přichází zleva, všechny sekundární částice jsou hadrony
νµ + N → µ− + X nabité proudy CC
ν µ + N →ν µ + X neutrální proudy NC
Oct. 1973 11/10/2004
14
Big European Bubble Chamber r.1977
3.7 m, pole 3.5 T, svazky 70 a 110 GeV/c, K,π,p.
r. 1997
11/10/2004
15
BEBC - D* D* ve vodíkové bublinové komoře BEBC
1978 11/10/2004
16
Měření filmů
1961
11/10/2004
17
Jiskrové komory (1) Soustava paralelních kovových desek v objemu naplněném vzácným plynem (He-Ne směs). Každá druhá deska je připojena k pulznímu zdroji vysokého napětí a zemi Když projde částice (vnější triggerovací detektor),aplikuje se vysokovoltní pulz, pole ∼20kV/cm Vznikne jiskra (z laviny způsobené procházející částicí), která se fotografuje nebo elektronicky zapisuje 11/10/2004
18
Jiskrové komory (2) Výhody a nevýhody ☺ jiskrovou komoru je možné triggerovat ☺ citlivý čas ∼1µs ☺ dost velká intenzita (∼10⁶částic/s) ☺ může se používat i bez fotografování na film ☹ má omezené prostorové rozlišení ≥300µm ☹ má relativně dlouhou mrtvou dobu ∼100 ms ☹ pulsní vysoké napětí ☹ není to dobré prostředí pro ostatní detektory Je to předchůdce MWPC komor a driftových komor 11/10/2004
19
Jiskrová komora (3) Výstava Microcosm v CERNu
May 1990
11/10/2004
20
Streamerová komora (1) elektronická analogie bublinové komory • Jiskrová komora s velkou mezerou – Chikovani 1963 • speciální systém vysokého napětí vytvářející pole ∼50kV/cm (t.j. amplitudu ∼ 500kV) po dobu ∼ 15 ns • během této doby se nevytvářejí jiskry od jedné elektrody k druhé ale jen v okolí počátečních iontů vytvořených ion.částicí →náplň na př. 90%Ne+10%He • dráhy streamerů se fotografují na film • hustota streamerů může být použita pro identifikaci částic pod 1 GeV/c 11/10/2004
21
Streamerová komora (2) Výhody a nevýhody ☺ 4π geometrie ☺ možnost použití vnitřních terčů ☺ streamerovou komoru je možné triggerovat ☺ citlivá doba ∼ 1µs ☺ vysoké intenzity až 10⁶ částic/s ☹ úmorné zpracování filmů ☹ omezená statistika případů ☹ omezené prostorové rozlišení ≥300µm ☹ relativně dlouhá mrtvá doba ∼ 300 ms ☹ pulsní vysoké napětí ☹ rizikové prostředí pro ostatní detektory 11/10/2004
22
Streamerová komora (3) 6.4 TeV Sulphur - Gold event (NA35)
July 1991
11/10/2004
23
Dnešní detektory • Většina těchto dráhových detektorů se už nepoužívá – – – – –
citlivá doba omezovala intenzitu svazků mrtvá doba nedovolovala velkou statistiku případů omezené měření účinného průřezu omezené rozlišení mnohé detektory bylo obtížné provozovat
• Moderní dráhové detektory – plynové detektory – polovodičové detektory (křemík)
11/10/2004
24
