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Kalorimeter Teilchenphysik In der Teilchenphysik versteht man unter einem Kalorimeter ein Instrument zur Messung der Ges

Kalorimeter (Teilchenphysik)

In der Teilchenphysik versteht man unter einem Kalorimeter ein Instrument zur Messung der Gesamtenergie eines einzelnen Teilchens. In teilchenphysikalischen Experimenten ist das Kalorimeter eine wesentliche Komponente des Teilchendetektors.

Sandwich-Kalorimeter, bestehend aus Szintillator-Platten und Absorbermaterial, ausgestellt am DESY.
Kalorimeter des UA2-Detektors des ehemaligen Super Proton Synchrotrons, ausgestellt am CERN.

Im Kalorimeter werden einfallende, schnelle Teilchen vollständig gestoppt und die dabei freiwerdende Energie bestimmt. Beim Einfall hochenergetischer Teilchen in ein Kalorimeter entstehen Sekundärteilchen, die selbst solange weitere Teilchen generieren, bis die zur Verfügung stehende Energie erschöpft ist. Diese Kaskade der Sekundärteilchenerzeugung bezeichnet man als Teilchenschauer. Häufig wird in einem Kalorimeter zusätzlich zur Energie auch eine (ungefähre) Ortsinformation ermittelt.

Traditionell werden Kalorimeter nach der Art der vorherrschenden Wechselwirkung unterschieden.

Elektromagnetische Kalorimeter Bearbeiten

Ein elektromagnetisches Kalorimeter dient der Energiebestimmung von Teilchen, die im Wesentlichen über die elektromagnetische Kraft wechselwirken. Dies sind Elektronen und Positronen sowie Gamma-Teilchen (hochenergetische Photonen), in geringerem Maße auch Myonen.

Elektromagnetischer Schauer Bearbeiten

Besonders gut lässt sich die Wirkungsweise eines sogenannten Sandwichkalorimeters erklären, in dem Schichten von Absorber und Auslesematerial abwechselnd angeordnet werden. Im Absorber entwickelt sich eine Abfolge von Bremsstrahlungs- und Paarbildungsprozessen (jeweils proportional zur Kernladungszahl Z²). Ein auf den Absorber auftreffendes Elektron strahlt ein Photon ab, das Photon bildet ein Elektron-Positron-Paar, welches wieder Photonen abstrahlt usw. Der Prozess geht in etwa so lange, bis alle Elektronen die kritische Energie Ek erreicht haben und dann im Wesentlichen durch Ionisation die Energie abgeben. Einen Teil dieser Ionisationsenergie misst man mit dem schichtförmig dazwischenliegendem Auslesematerial (Szintillator).

Sei E0 die Energie des Primärteilchens, so ergibt sich die Anzahl der Schauerteilchen also zu:

Im einfachsten Modell nimmt man an, dass sich nach einer Strahlungslänge χ0 die Teilchenanzahl jeweils verdoppelt. Dann hat man am Ende des Schauers nach n Strahlungslängen Teilchen mit der Energie Ek. Die Anzahl n von Strahlungslängen ist also:

Die Schauertiefe wächst also nur logarithmisch mit der Primärenergie :

Die Längeneinheit ist dabei die Strahlungslänge χ0. Da die Anzahl der Schauerteilchen N proportional zur Energie ist, der Fehler von N aber ist, ergibt sich:

Der relative Fehler wird also mit steigender Energie kleiner. Bei magnetischen Messungen des Impulses steigt er dagegen mit der Energie an (weil die Krümmung immer geringer wird). Deshalb sind bei Energien oberhalb von etwa 10 bis 20 GeV auch bei geladenen Teilchen nur noch kalorimetrische Messungen möglich.

Bauarten elektromagnetischer Kalorimeter Bearbeiten

Hadronische Kalorimeter Bearbeiten

In einem hadronischen Kalorimeter lassen sich Teilchen nachweisen, die überwiegend der starken Wechselwirkung unterliegen. Da hadronische Teilchen szintillierendes Material fast ungehindert durchdringen, ist ein Aufbau wie beim elektromagnetischen Kalorimeter nicht möglich. Häufig werden daher hadronische Kalorimeter als „Sampling“-Kalorimeter in Schichten ausgeführt, wobei sich empfindliche Nachweisschichten mit unempfindlichen, nur dem Energieverlust dienenden Schichten abwechseln. In diesen Absorbern finden die Wechselwirkungsprozesse der hadronischen Teilchen statt, die dann Elektronen, Photonen, Kernfragmente und Hadronen erzeugen; diese werden wiederum in der anschließenden sensitiven Schicht durch Erzeugung von Szintillationslicht nachgewiesen.

Forschung und Entwicklung Bearbeiten

Mit den beständig größer werdenden Energien und Intensitäten in der Teilchenphysik steigen auch die Anforderungen an Qualität, Komplexität und Strahlenresistenz der Detektoren, deren wesentliche Komponente das Kalorimeter darstellt. Die Entwicklung und der Bau dieser speziellen Detektorkomponente sind ein eigenständiger Zweig der Wissenschaft geworden.

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. C. Grupen, Teilchendetektoren, Spektrum Akadem. Verlag, 1993, ISBN 978-3411165711.
  2. W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag, 1987, ISBN 3-540-17386-2.
  3. ↑ B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, Teilchen und Kerne, Springer-Verlag, 1997, ISBN 3-540-59438-8.
  4. A. Meyer-Larsen, Konstruktion, Aufbau und Kalibration eines strahlrohrnahen Blreiwolframatkalorimeters zur Verwendung im ZEUS-Experiment, Dissertation der Universität Hamburg, 1999, Interner Bericht der Universität Hamburg (PDF; 3,24 MB), abgerufen am 12. Juni 2013.
  5. D. Schroff, Studie zur elektronischen Kalibration der Flüssig-Argon-Kalorimeter und zur Entdeckung unsichtbar zerfallender Higgs-Bosonen im ATLAS-Experiment, Dissertation der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2004, Interner Bericht der Universität Freiburg (PDF; 3,57 MB), abgerufen am 12. Juni 2013.
  6. G. Lutz, Semiconductor Radiation Detectors, Springer, 1999 ISBN 978-3540716785.
  7. ↑ R. Wunstorf: Systematische Untersuchungen zur Strahlenresistenz von Silizium-Detektoren für die Verwendung in Hochenergiephysik-Experimenten, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1992, Interner Bericht: DESY FH1k-92-01 (PDF; 93,1 MB), abgerufen am 9. Juni 2013.
  8. ↑ A. Dannemann: Untersuchungen zur Strahlungsresistenz polymerer Materialien für den Einsatz in Experimenten der Hochenergiephysik, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1996, Interner Bericht: DESY F35D-96-06 (PDF; 5,8 MB), abgerufen am 25. Mai 2013.
  9. I. Bohnet, U. Fricke, B. Surrow, K. Wick, Investigation of non-uniform radiation damage observed in the ZEUS Beam Pipe Calorimeter at HERA, Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 78 (1999) 713 – 718.
  10. G. Lindström, Radiation Damage in Silicon Detectors, Nucl. Instr. Meth. A 512, Seiten 30–43, 2003.
  11. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Elsevier, abgerufen am 26. Mai 2013.

Anmerkungen Bearbeiten

  1. Diesen sog. Hadronen ist gemein, dass sie aus einzelnen Quarks aufgebaut sind. Beispiele dafür sind Protonen, Neutronen, Pionen oder Kaonen.
  2. Bspw. ist der Large Hadron Collider (LHC) im Vollbetrieb mit etwa 2800 Teilchenpaketen gefüllt, die den derzeit größten Teilchenbeschleuniger über Zeiträume von Stunden mit einer Frequenz von 11 kHz umlaufen. Das bedeutet alle 25 Nanosekunden eine Kollision an den Wechselwirkungspunkten (der Teilchendetektoren bzw. Kalorimeter), entsprechend einer Luminosität von 1034 cm−2s−1. Die damit verbundene Strahlendosis für die technischen Komponenten ist enorm.
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Veröffentlichungsdatum:
In der Teilchenphysik versteht man unter einem Kalorimeter ein Instrument zur Messung der Gesamtenergie eines einzelnen Teilchens In teilchenphysikalischen Experimenten ist das Kalorimeter eine wesentliche Komponente des Teilchendetektors 1 Sandwich Kalorimeter bestehend aus Szintillator Platten und Absorbermaterial ausgestellt am DESY Kalorimeter des UA2 Detektors des ehemaligen Super Proton Synchrotrons ausgestellt am CERN Im Kalorimeter werden einfallende schnelle Teilchen vollstandig gestoppt und die dabei freiwerdende Energie bestimmt Beim Einfall hochenergetischer Teilchen in ein Kalorimeter entstehen Sekundarteilchen die selbst solange weitere Teilchen generieren bis die zur Verfugung stehende Energie erschopft ist Diese Kaskade der Sekundarteilchenerzeugung bezeichnet man als Teilchenschauer Haufig wird in einem Kalorimeter zusatzlich zur Energie auch eine ungefahre Ortsinformation ermittelt Traditionell werden Kalorimeter nach der Art der vorherrschenden Wechselwirkung unterschieden 2 Inhaltsverzeichnis 1 Elektromagnetische Kalorimeter 1 1 Elektromagnetischer Schauer 1 2 Bauarten elektromagnetischer Kalorimeter 2 Hadronische Kalorimeter 3 Forschung und Entwicklung 4 Weblinks 5 Einzelnachweise 6 AnmerkungenElektromagnetische Kalorimeter BearbeitenEin elektromagnetisches Kalorimeter dient der Energiebestimmung von Teilchen die im Wesentlichen uber die elektromagnetische Kraft wechselwirken Dies sind Elektronen und Positronen sowie Gamma Teilchen hochenergetische Photonen in geringerem Masse auch Myonen 3 Elektromagnetischer Schauer Bearbeiten Besonders gut lasst sich die Wirkungsweise eines sogenannten Sandwichkalorimeters erklaren in dem Schichten von Absorber und Auslesematerial abwechselnd angeordnet werden Im Absorber entwickelt sich eine Abfolge von Bremsstrahlungs und Paarbildungsprozessen jeweils proportional zur Kernladungszahl Z Ein auf den Absorber auftreffendes Elektron strahlt ein Photon ab das Photon bildet ein Elektron Positron Paar welches wieder Photonen abstrahlt usw Der Prozess geht in etwa so lange bis alle Elektronen die kritische Energie Ek erreicht haben und dann im Wesentlichen durch Ionisation die Energie abgeben Einen Teil dieser Ionisationsenergie misst man mit dem schichtformig dazwischenliegendem Auslesematerial Szintillator Sei E0 die Energie des Primarteilchens so ergibt sich die Anzahl der Schauerteilchen also zu N m a x E 0 E k displaystyle N mathrm max frac E 0 E mathrm k nbsp Im einfachsten Modell nimmt man an dass sich nach einer Strahlungslange x0 die Teilchenanzahl jeweils verdoppelt Dann hat man am Ende des Schauers nach n Strahlungslangen 2 n displaystyle 2 n nbsp Teilchen mit der Energie Ek Die Anzahl n von Strahlungslangen ist also 2 n E 0 E k displaystyle 2 n frac E 0 E mathrm k nbsp n ln E 0 E k ln 2 displaystyle n frac ln left frac E 0 E mathrm k right ln 2 nbsp Die Schauertiefe wachst also nur logarithmisch mit der Primarenergie E 0 displaystyle E 0 nbsp t m a x ln E 0 E k displaystyle t mathrm max propto ln frac E 0 E mathrm k nbsp Die Langeneinheit ist dabei die Strahlungslange x0 Da die Anzahl der Schauerteilchen N proportional zur Energie ist der Fehler von N aber N displaystyle sqrt N nbsp ist ergibt sich N E displaystyle N propto E nbsp s E E displaystyle sigma E propto sqrt E nbsp s E E 1 E displaystyle frac sigma E E propto frac 1 sqrt E nbsp Der relative Fehler wird also mit steigender Energie kleiner Bei magnetischen Messungen des Impulses steigt er dagegen mit der Energie an weil die Krummung immer geringer wird Deshalb sind bei Energien oberhalb von etwa 10 bis 20 GeV auch bei geladenen Teilchen nur noch kalorimetrische Messungen moglich Bauarten elektromagnetischer Kalorimeter Bearbeiten Bleiglas Kalorimeter z B im CMS Detektor am LHC am CERN 4 Flussig Edelgas Kalorimeter z B im ATLAS Detektor am LHC am CERN 5 Halbleiter Kalorimeter z B im GERmanium Detector Array GERDA im Heidelberg Moskau Experiment im Laboratori Nazionali del Gran Sasso 6 7 Sandwich Kalorimeter bestehend aus abwechselnden Lagen von Szintillatoren und Absorbermaterialien z B im ZEUS Kalorimeter an HERA am DESY 8 Hadronische Kalorimeter BearbeitenIn einem hadronischen Kalorimeter lassen sich Teilchen nachweisen die uberwiegend der starken Wechselwirkung unterliegen A 1 Da hadronische Teilchen szintillierendes Material fast ungehindert durchdringen ist ein Aufbau wie beim elektromagnetischen Kalorimeter nicht moglich Haufig werden daher hadronische Kalorimeter als Sampling Kalorimeter in Schichten ausgefuhrt wobei sich empfindliche Nachweisschichten mit unempfindlichen nur dem Energieverlust dienenden Schichten abwechseln In diesen Absorbern finden die Wechselwirkungsprozesse der hadronischen Teilchen statt die dann Elektronen Photonen Kernfragmente und Hadronen erzeugen diese werden wiederum in der anschliessenden sensitiven Schicht durch Erzeugung von Szintillationslicht nachgewiesen 3 Forschung und Entwicklung BearbeitenMit den bestandig grosser werdenden Energien und Intensitaten in der Teilchenphysik steigen auch die Anforderungen an Qualitat Komplexitat und Strahlenresistenz A 2 7 8 der Detektoren deren wesentliche Komponente das Kalorimeter darstellt 9 10 Die Entwicklung und der Bau dieser speziellen Detektorkomponente sind ein eigenstandiger Zweig der Wissenschaft geworden 11 Weblinks BearbeitenKalorimeter Grundlagen der Teilchenphysik abgerufen am 26 Mai 2013 Einzelnachweise Bearbeiten C Grupen Teilchendetektoren Spektrum Akadem Verlag 1993 ISBN 978 3411165711 W R Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments Springer Verlag 1987 ISBN 3 540 17386 2 a b B Povh K Rith C Scholz F Zetsche Teilchen und Kerne Springer Verlag 1997 ISBN 3 540 59438 8 A Meyer Larsen Konstruktion Aufbau und Kalibration eines strahlrohrnahen Blreiwolframatkalorimeters zur Verwendung im ZEUS Experiment Dissertation der Universitat Hamburg 1999 Interner Bericht der Universitat Hamburg PDF 3 24 MB abgerufen am 12 Juni 2013 D Schroff 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