Kern- und Teilchenphysik SS2012

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Kern- und Teilchenphysik SS2012

Johannes Blümer

Vorlesung-Website

P = (E, p) !

Was wollen wir messen?

Systematik

lo-E

hi-E

Ionisation

Strahlung

Photoeff.

Comptoneff.

Paarbildung ^Ke rn -

re akt ion en

tief-inelastische WW

sch w . W W

geladen neutral

Proton Myon Elektron Photon Neutron Neutrino

Beispiel

Detektoren Übersicht

Ionisation: Bethe-Bloch-Gleichung

Impulsübertrag auf 1 e ^–

(Gaußscher Satz)

Energieübertrag nicht-rel.

Summation

über Elektronen Integration über Stoßparameter

M, Ze, v

Hüllenelektron, m e << M

b

x M, Ze, v

Material

Δx

bei kleinem ß ist der Term 1/ß ² in der Bethe-Bloch Gleichung dominant

-dE/dx [M eV cm -1 ]

Teilchenimpuls p bei hohen Impulsen erreicht dE/dx ein Plateau (Sättigung) dE/dx hat ein Minimum bei ß ∙  ~ 3-4

minimal ionisierende Teilchen

Bethe-Bloch-Gleichung: dE/dx

dE/dx

Figure 27.2: Mean energy loss rate in liquid (bubble chamber) hydrogen, gaseous helium, carbon, aluminum, iron, tin, and lead. Radiative effects, relevant for muons and pions, are not included.

These become significant for

muons in iron for βγ >1000,

and at lower momenta for

muons in higher-Z absorbers.

dE/dx in Gas-Detektor

µ K p

e

D

e

Energy deposit per unit length (keV/cm)

Momentum (GeV/c)

8 12 16 20 24 28 32

0.1 1 10

[rpp2010] Figure 28.15: The PEP4/9- TPC energy deposit measurements

(185 samples, 8.5 atm Ar-CH 4 80:20). The ionization rate at the Fermi plateau (at high β) is 1.4 times that for the minimum at

lower β. This ratio

increases to 1.6 at

atmospheric pressure.

de/dx weiter Energiebereich

Muon momentum

1 10 100

S t o p p in g p o w er [ M e V c m 2 / g ] L in d h ar d - S c h ar ff

Bethe Radiative

Radiative effects reach 1%

µ ⁺ on Cu

Without Radiative

losses

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10 ⁴ 10 ⁵ 10 ⁶

[MeV/ c ] [GeV/ c ]

100 10

1

0.1 1 10 100 1 10 100

[TeV/ c ] Anderson-

Ziegler

Nuclear losses

Minimum ionization

E _{µ c}

µ

Coulombstreuung

180 160 140 120

0 20 40 60

0 1 2 3 4 5 6 7 8

80 100

Pulseheight (ADC-channels)

Fluktuationen, Landau-Verteilung

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 f

k=1.0

k=0.4

k=0.1

Landau

Reichweite

R =

! 0 E ₀

dE

dE/dx(E )

Teilchendurchgang durch Absorber

Reichweite:

Materialeigenschaften

Materialeigenschaften

Bremsstrahlung

Strahlungslänge:

Cherenkov-Effekt

90°

θ

particle A

B

C

air water

40 °

30 °

20 °

10 °

1.5 °

0.5 °

10

10

10

1

1- β Cherenkov angle θ ( ° )

1.0 °