Onder constituenten verstaat men de fundamentele fermionen: de quarks in het versnelde proton of anti-proton, t of de versnelde elektronen of

Transcriptie

1 1

2 2

3 3

4 Onder constituenten verstaat men de fundamentele fermionen: de quarks in het versnelde proton of anti-proton, t of de versnelde elektronen of positronen. De vooruitgang in de hoge-energie fysica gaat gepaard met de evolutie van de technologie die aan de basis ligt van versnellers. 4

5 760 Torr = 1 atm = 1, N/m 2. 5

6 q is telkens de lading en v de snelheid van het deeltje. 6

7 de is het energieverlies per omwenteling in MeV. ris de straal van de cirkelvormige versneller. Voor relativistische deeltjes stelt men pªe. e is de lading van het versnelde deeltje. Men ziet dat het energieverlies groter is voor elektronen (mª0,5mev/c 2 ) dan voor protonen (mª1000mev/c 2 ) en groter voor grotere energieën. Bij de LEP elektron-positron versneller met bundel energie 55 GeV was het energieverlies per omwenteling 260MeV. Bij LHC verwacht men dat het energieverlies per omwenteling ongeveer 6 kev zal bedragen. 7

8 De SLC versneller in SLAC had een lengte van ongeveer 3km. Elektronen worden geproduceerd door een filament te verwarmen. Een aantal elektronen wordt op een wolfram plaatje gestuurd waarin ze interageren. In de interacties worden positronen geproduceerd die teruggestuurd worden naar het begin van de versneller om op hun beurt vesneld te worden. Op het einde splitst men de elektronen van de positronen om ze frontaal te doen botsen in de SLD (SLC Large Detector) detector. De SLC versneller e e heeft gedraaid d van 1989 tot Men heeft er botsingen bestudeerd op de Z peak, met ongepolariseerde en gepolariseerde bundels. Dit onderzoek was complementair aan LEP. 8

9 De studie van pp en Kp interacties leveren informatie over de sterke wisselwerkingen die complementair is aan wat men leert uit nucleon-nucleon interacties. Muon- en neutrinobundels worden gebruikt om de zwakke wisselwerkingen te bestuderen en voor de studie van de interne structuur van nucleonen, via νp(n) en μp(n) botsingen. In deze experimenten was het proton- of neutrondoel meestal de detector zelf, bvb de bellenvat experimenten. De productie v an neutrino bundels werd besproken in hoofdstuk III bij de ontdekking van het muon en tau neutrino. 9

10 In de proef levensduur van het Λ deeltje zal een bellenvat experiment geanalyseerd worden waarin een secundaire bundel K - deeltjes interageert in een bellenvat gevuld met een propaanmengsel. 10

11 Bij LEP2 was : n1=n2=45x10 10 deeltjes per pakket f=45khz s x =5µm, s y =250µm In het schema zijn de bruine objecten de RF versnellingscaviteiten, de rode lange elementen zijn de afbuigmagneten en de blauwe vierkante elementen zijn de quadrupoolmagneten voor de focussering. 11

12 12

13 13

14 FNAL: studie van hadron interacties in antiproton-proton botsingen PEPII in SLAC: BaBar experiment voor de studie van hadronen met b quarks KEK: Belle experiment voor de studie van hadronen met b quarks. BEBC: studie van deeltjes met charm. DESY: HERA is gestopt in juli CESR: studie van deeltjes met charm. RHIC: studie van ion-ion i botsingen (Pb, Fe,..), studie van quark-gluon plasma. LHC: hadronfysica in proton-proton botsingen. 14

15 15

16 16

17 De DELPHI detector ( ) bestond uit een cilinder van 10m diameter, de barrel, en 2 stoppen, de endcaps. Een supergeleidende d spoel met 5m diameter zorgde voor een magnetisch veld van 1,2Tesla en is nodig voor de meting van de impuls van de geladen deeltjes. In totaal is de detector 10m lang. Voor de meting van het ionisatiespoor van geladen deeltjes in de barrel gebruikt men de Vertex Detector (silicon detector, specifiek voor deeltjes met b en c quark), de Inner en Outer detector (veeldradenkamers), de Time Projection Chamber (gas ionisatiekamer). In de endcaps worden de sporen van geladen deeltjes gemeten met de Forward Chambers A en B (veeldradenkamers). De energie van elektronen, positronen en fotonen worden gemeten met de elektromagnetische calorimeters: High Density Projection Chamber in de barrel en Forward EM calorimeter in de endcaps. De energie van hadronen wordt gemeten in de hadron calorimeters, in de barrel en de endcaps. De identificatie van muonen geschiedt met de barrel, endcap en surround muon chambers (driftkamers). De Ring Image Cherenkov detectors (barrel en forward RICH) worden gebruikt voor de identificatie van hadronen (p,k,p). De Small Angle Tile Calorimeter en Very Small Angle Tagger worden gebruikt voor de detectie ti van elektronen en positronen die zeer dicht bij de bundelpijp geproduceerd worden. De detectie van deze deeltjes laat toe om de luminositeit van de versneller te bepalen. 17

18 18

19 De figuur toont het energieverlies langs de baan van het deeltje, de/dx, als functie van zijn impuls, voor verschillende deeltjes en verschillende materialen. 19

20 Een deeltje zal in het magnetisch veld een helixvormige baan volgen. Wat de foto toont is de projectie in het vlak loodrecht op het magneetveld. In dat vlak is de projectie van de helix een cirkel. De kromming van de cirkel vergroot (straal R verkleint) omdat de deeltjes onderweg energie verliezen, en bijgevolg hun impuls kleiner wordt. 20

21 Dit voorbeeld werd besproken in hoofdstuk III onder vreemdheid. Het invallen kaon botst op een elektron in rust dat uit een atoom geschoten wordt met een zekere impuls. Het kaon vervolgt zijn weg met een iets lagere impuls. 21

22 Met veeldradenkamers kan men positiebepaling doen tot op enkele mm nauwkeurig. In halfgeleider detectoren bereikt men µm nauwkeurigheden. 22

23 Een elektron verliest zijn energie voornamelijk door radiatie van fotonen. Het energieverlies verloopt exponentieel, met de radiatielengte als karakteristieke grootheid. Indien men een compacte calorimeter wenst moet men materiaal gebruiken met een korte radiatielengte. De fotonen uit bremsstrahlung produceren elektron-positronparen. De flux aan fotonen vermindert volgens een exponentieel verloop met de conversielengte als karakteristieke grootheid. 23

24 24

25 25

26 Voor een bepaalde impuls is de Cherenkov hoek van een pion verschillend van deze van een kaon of een proton. Deeltjesidentificatie met Cherenkovtellers is mogelijk tot enkele GeV/c. Bij hogere impulsen is de scheiding bijna niet meer mogelijk. 26

27 27

28 28