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Das COMPASS-Experiment
Sonja Kunkel
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Seminar zur Spinphysik
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2
Gliederung
1. Grundlagen des COMPASS Experiments
2. Strahlführung
3. Polarisiertes Target
4. Dilutionkryostat
5. Detektion und Identifikation von Teilchen
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3
COMPASS-Experiment
• COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy
• Festkörper Target-Experiment mit zweistufigem Spektrometer
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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4
COMPASS-Experiment
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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5
Myonenprogramm
• Nukleonen besitzen Substruktur Quarks – beschreiben viele
Nukleoneneigenschaften korrekt
• Spin der Nukleonen jedoch nicht erklärbar Nur 30% Beitrag des Quark-Spins zum
Nukleonenspin
Gluonen und Bahndrehimpulse liefern auch einen Beitrag
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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6
Myonenprogramm
• Ziel des Myonenprogramms: Messung des Gluonenspin-Beitrags zum Nukleonenspin
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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7
Myonenprogramm
• Untersuchen der Substruktur mittels tiefinelastischer Leptonen-Nukleon-Streuung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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8
Myonenprogramm
• Differentieller Wirkungsquerschnitt (experimentell):
• Differentieller Wirkungsquerschnitt (theoretisch):
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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9
Myonenprogramm
• Leptonischer Tensor: Mit QED berechenbar
• Hadronischer Tensor: Parametrisierung durch F1, F2, g1, g2
• Beide Tensoren sind Summen aus spinunabhängigem, symmetrischem und spinabhängigem, unsymmetrischem Teil
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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10
Myonenprogramm
• Spinabhängige Effekte nur, wenn sowohl Strahl als auch Target polarisiert
• F1, F2 wurden genau vermessen
• g1 an longitudinal polarisiertem Target messbar
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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11
Myonenprogramm
• Bestimmung der Gluonenplarisation aus Analyse des Skalenverhaltens der Strukturfunktion g1
• Betrachte Prozesse, in die die Gluonenpolarisation direkt eingeht Photon-Gluon-Fusion
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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12
Myonenprogramm
• Identifikation von PGF-Ereignissen:• Open-Charm-Produktion• Nachweis von Hadronen mit hohem Impuls
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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13
Myonenprogramm
• Messung der Doppel-Spin-Asymmetrie:
• Nutze:
Gluonenpolarisation geht direkt in die Asymmetrie ein
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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14
Myonenprogramm
• 2002 – 2004: 6LiD-Target, Myonenstrahl
• 2006: Wiederaufnahme mit longitudinaler Polarisation und neuem 6LiD-Target
• 2007: NH3-Target
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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15
Hadronenprogramm
• Innere Dynamik von Pionen und Kaonen
• Glueball-Zustände
• QCD-Vorhersagen verifizieren
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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16
Strahlführung
• Beschleunigung von Protonen im SPS auf bis zu 400 GeV
• Produktionstarget: Beryllium• Pionen und Kaonen (9,9%)• Zerfall nach schwacher Wechselwirkung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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17
Strahlführung
• Erhaltungssätze:• Leptonenzahl: Das Neutralteilchen ist ein
Myon-Neutrino• Impuls: Myon und –Neutrino haben gleich
große, entgegengesetzt gerichtete Impulse• Neutrino: Spin entgegengesetz zum Impuls• Pion hat Spin 0
Myon ist polarisiert (Spin entgegen dem Impuls gerichtet)
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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18
Strahlführung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
• Hadronenabsorber• Durchmesser Myonenstrahl: 8 x 8 mm2
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19
Strahlführung
• Impuls: 160 GeV/c• Polarisation: 80%
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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20
Polarisiertes Target
• Messung von Asymmetrien
• Identische Messung an zwei entgegengesetzten Polarisationen Zwei (aktuell drei) hintereinander stehende,
entgegengesetzt polarisierte Zellen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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21
Target aus dem COMPASS-Experiment
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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22
Polarisierbarkeit
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
• 6LiD: theoretisch polarisierbarer Nukleonenanteil ca. 50% (tatsächlich erreichbar: 35%) Dilutionfaktor f Polarisation 50%
• NH3: f = 0,15; P > 80%
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23
Polarisationsrichtungen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
• Zwei Kombinationen:
• Longitudinale Polarisation Messung der Gluonenpolarisation im Nukleon
• Transversale Polarisation Transversity-Verteilung
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24
Dynamische Nukleonenploarisation
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
• Erzeugung der Polarisation mittels „Dynamic Nuclear Polarisation“
• Kühlung des Targets auf ca. 0,4K• Elektronenpolarisation mittlels Mikrowellen auf
Kerne übertragen• Einfrieren der Polarisation bei T < 100mK
Nur mit Dilutionkryostat möglich Frozen Spin Mode
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25
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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26
Dilutionkryostat
• Helium allgemein
• Erzeugung tiefer Temperaturen
• Prinzipieller Aufbau
• Dilutionkryostat am COMPASS
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
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27
Helium allgemein
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• In der Natur nur zwei stabile Isotope:• 4He (Erdgasvorkommen)
Bosonen (I=0)• 3He (Kernreaktionen)
Fermionen (I=1/2)
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28
Spezifische Wärme
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion• Bezeichnung:
• Helium-I/Helium-II
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29
3He/4He - Mischungen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 30: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/30.jpg)
30
3He/4He - Mischungen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kritischer Punkt: c=0,67
• T < 0,87K: Phasenseparation• 3He-reich (für T 0K: nahezu reines
3He) • 4He-reich
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31
Phasendiagramm
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 32: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Endliche Lösbarkeit
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Selbst bei T 0K: gewisse Löslichkeit von 3He in 4He
• Grund: Bindungskräfte zwischen 3He-Atomen kleiner als zwischen 3He und 4He Nullpunktsenergie
• Folge: Kühlung gemäß Enthalpiedifferenz möglich
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33
Osmotischer Druck
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 34: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Erzeugung tiefer Temperaturen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Gasexpansion
• Adiabatische Entmagnetisierung von magnetischen Momenten
• Kryoflüssigkeiten
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35
Einfache andere Heliumkryostate
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Badkryostat
• Verdampfungskryostat
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36
Badkryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 37: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Verdampfungskryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 38: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Kühlmechanismus Dilutionkryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kühlmechanismus findet in Mischkammer statt
• Übertritt von 3He-Atomen aus der „leichten“ in die „schwere“ Phase Δ• ΔQ = TΔS=-84T2 (J/K2)
• Nachliefern & Entfernen von 3He gewährleistet Kontinuität
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39
Prinzipieller Aufbau
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kreislauf in Vakuumbehälter, der sich in 4He-Bad befindet
• Mischkammer, Verdampfer, Gegenstromwärmetauscher
• Zirkulation durch Pumpen am Verdampfer
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40
3He/4He-Kreislauf
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 41: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Performance
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Eintritt in den Kreislauf
Vorkühlung
Kondensation
Passieren des Wärmetauschers
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42
Performance
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
Eintritt in 3He-reiche Phase
Diffusion von 3He über Phasengrenze
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43
Kühlleistung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kühlleistung allgemein:
• Umformen und Einsetzen:
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44
Kühlleistung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 45: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/45.jpg)
45
Dilutionkryostat am COMPASS
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 46: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/46.jpg)
46
Dilutionkryostat - Daten
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Mischkammer aus Mylar (Polyester-Folie)
• Saugleistung des 3He Pumpsystems: 13500 m3/h
• Benötigte Füllmenge 3He: 49 mol
• 442 mol 4He für Mischung
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47
Polarisation mit Dilutionkryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Typischer 3He-Fluss: 30 – 100 mmol/s
• Kühlung: T = 300 mK Beginn DNP
• Nach Erreichen der Polarisation:• Ausschalten der Mikrowellen• Kühlung auf 55 mK
Frozen Spin Mode
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48
Polarisation mit Dilutionkryostat
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
![Page 49: Das COMPASS-Experiment Sonja Kunkel Fakultät für Physik und Astronomie Ruhr-Universität Bochum Seminar zur Spinphysik](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062409/55204d6749795902118bd783/html5/thumbnails/49.jpg)
49
Kühlleistung
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Kühlleistung:
• Wärmeleck (Wärmestrahlung & -leitung):
• Hauptquelle: Wärmeleitung der Cavity: 2,3 mW
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50
Polarisationsdifferenzen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
• Verschiedene Kühlleistungen in upstream und downstream
• 70% (30%) 3He-Zirkulation in upstream (downstream) Unterschiedliche maximale
Polaraisation (2 – 3%)
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51
Dilutionkryostat am COMPASS
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat• Theorie• Kühlung• Aufbau• … am COMPASS
Detektion
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52
Detektion u. Identifikation von Teilchen
• Spektrometermagneten SM1 & SM2 Spurrekonstruktion
• Trackingdetektoren• Si-Magnetstreifendetektoren• Detektoren aus szintillierenden Fasern• Gasdetektoren• Myonenfilter
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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53
Detektion u. Identifikation von Teilchen
• Kalorimeter• Hadronische Kalorimeter (HCAL)• Elektromagnetische Kalorimeter
(ECAL)
• Teilchenidentifikation:• Ring Imaging CHerenkov Detektor
(RICH)
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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Detektion u. Identifikation von Teilchen
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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Gluonenpolarisation
Grundlagen
Strahlführung
Pol. Target
Dilutionkryostat
Detektion
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Das COMPASS-Experiment
Sonja Kunkel
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Seminar zur Spinphysik