Teilchenidentifikation mit
Cherenkov-Detektoren
Rüdiger Reuter
Inhalt
• Motivation
• Entstehung der Cherenkov-Strahlung
• Radiatormaterialien
• Detektorsysteme– Delphi– BaBar
Motivation• Teilchenidentifikation geladener Teilchen in
Hochenergiephysik Experimenten– Zusammensetzung eines Hadronenstrahls in
Zählratenexperimenten– Vermessung von Vierer-Vektoren
• Bestimmung des Impulses:– Spurrekonstruktion eines geladenen Teilchens im
Magnetfeld (z.B.Driftkammer)
– Bestimmung der Energie:– Energiebestimmung aus Geschwindigkeit– Ausnutzung des Cherenkov-Effekts =>v =>m => Identität
rBqpvmr
vmBvq
2
Pawel Alexejewitsch Tscherenkow
• Russischer Physiker• * 28.Juli 1904• † 6.Januar 1990• 1958 Nobelpreis für
die Entdeckung und Interpretation des Cherenkov-Effekts
Entstehung von Cherenkov-Strahlung
- Cherenkov-Strahlung entsteht, wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Medium mit Brechungsindex n schneller bewegt, als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium.
Cherenkov-Kegel
cos
1
nnv
c
tv
tnc
•Durch Messung des Emissionswinkels ist Rückschluss auf die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens möglich!
Beispiel für Cherenkov-Strahlung
Emittierte Photonen
21
1222222
2 sin2)1
1(22
1
z
d
nz
dx
dN
)1
1(490sin49022
121
ncmcm
dx
dN
Für einfach geladene Teilchen im optischen bzw. nahen UV Bereich 400nm<λ<700nm (da Nachweis mit photosensitiven Detektoren):
=>typischerweise 1 bis 100 Photonen pro cm
Emittierte Photonen
Der durch den Cherenkov-Effekt hervorgerufene Energieverlust ist klein gegen die Gesamtenergie!
eVnm
ch
chfhE 3
400
Radiatoren
Material n β-Schwelle Photonen/cm
Luft* 1,00029 0,9997 0,3
Pentan* 1,0017 0,9983 2
Aerogel 1,025-1,075 0,93-0,98 24-66
Wasser 1,33 0,75 213
Bleiglas 1,67 0,6 314
Quarz 1,54 0,65 283
C5F12* 1,0018 0,9982 2
C6F14 1,28 0,781 190
* Bei Normaldruck0
0 )1()1( ppnn
Radiatoren
Detektorsysteme• Ein Cherenkovdetektor besteht aus:
– Radiator– Photosensitiven Detektor zum Nachweiß der
Cherenkov-Photonen
• Es gibt u.a. folgende Systeme:– Schwellen-Detektoren– Differentielle Detektoren– Ring-Image-Cherenkov-Detektoren (RICH)
• Beispiele: Delphi, BaBar
Schwellendetektoren• Erlauben Aussage über v größer oder kleiner als c/n
durch Ausnutzen der Cherenkov-Schwelle
• Hintereinanderschaltung mehrerer unterschiedlicher Radiatoren ermöglicht Teilchenunterscheidung
• Nur für festen Impuls!
• Keine Winkelmessung möglich!
nn
cv
11
Differentielle Detektoren• Zielsetzung: Zählratenmessung von
Hyperonen(Σ,Ξ)
• Funktionsprinzip: – Blende deckt Winkelbereich ab– Gasdruck ändert n (linear) =>Winkeländerung
• Zerfallslänge(20GeV) 57cm => kompakter Detektor
Masse Σ :1197 MeV/c^2
Masse Ξ :1321 MeV/c^2
Differentielle Detektoren
n
1cos- Keine Gleichzeitige Messung
für unterschiedliche Impulse und Winkel!
Korrekturlinsen: Korrekturlinsen:
Δβ=2e-4 -> Δβ=5e-5Δβ=2e-4 -> Δβ=5e-5
Länge: 48cm
Θ=120mrad
Δβ=5e-5
00 )1()1( p
pnn
Differentielle Detektoren
n
1cos
),,,,( Kp
P=20GeV
RICH Detektoren
• Differentielle oder Schwellendetektoren lassen sich nicht für Exp. Einsetzen, wo eine hohe Raumwinkelabdeckung erforderlich ist z.B. Collider =>RICH
• Abdeckung fast des gesamten Raumwinkels möglich
• Messung des Cherenkov-Winkels
• Großer Impulsbereich kann abgedeckt werden
RICH Detektoren
Delphi Detektor am CERN
• Von 1989 bis 2000 am Cern
• Untersuchung der schwachen Wechselwirkung
• Symmetrischer Collider
WWZZZee ,, 000
GeVEcm 18291
• Barrel RICH– 3,5 Meter lang
– Deckt Winkel von 40° bis 140° ab
– Außendurchmesser: 385cm
– Innendurchmesser: 260cm
– =>Dicke: 125cm
– Identifizierung von geladenen Hadronen (π,K,p) über einen großen Impulsbereich
Delphi Detektor am CERN
Barrel RICH
Barrel RICH
Rekonstruktion Λ->Kπ
• Die Messwerte des Cherenkov-Detektors helfen aber bei der Rekonstruktion eines Λ– Leichtere Identifizierung der
Teilchen
– Reduktion des Untergrunds um Faktor 2
p
p
E
P
E
P
E
P
22 )()( ppEEm pp
Methode der invarianten Masse
BaBar Detektor am SLAC
•Läuft seit 1999 am Slac
•Elektronen 9GeV kollidieren mit 3,1GeV Positronen (asymmetrisch)
BBSee )4(
-Länge: 5m
-Innendurchmesser: 83,6cm
-Außendurchmesser: 85,3cm
- =>Dicke: 1,7cm
-11.000 PMTs
-Standoff-Box: 1,17m
-Winkel: 51,4°-154,5°
DIRC
144 Quarzstäbe, 5m Lang, 1,7cm dick
-11.000 PMT
-PMT außerhalb des Magnetfelds
DIRC
DIRC
Zusammenfassung
cos1
1n
Cherenkov-Effekt liefert:
Detektortypen:
-Schwellendetektoren
- v > c/n
-Differentielle Detektoren
- Teilchenidentifizierung für Zahlraten
-RICH Detektoren
-Geschwindigkeitsbestimmung => Identität
-Messung über vollen Raumwinkel
Zusammenfassung
Aus detektiertem Ring kann v bestimmt werden
Teilchenunterscheidung in großen Impulsbereichen
Teilchenidentifizierung reduziert den Untergrund
RICH
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit