Детекторы в физике элементарных частиц

1.

Детекторы в физике элементарных частиц
ATLAS
CMS
pp2pp
ALICE
LHC-B

2.

Детекторы в физике элементарных частиц
(лекции и лабораторные работы
для студентов 4 и 7(?) семестра МФТИ и МИФИ)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Введение
Прохождение частиц через вещество
Сцинтилляторы
Полупроводниковые детекторы
Газовые детекторы
Калориметры
Идентификация частиц. Детектирование мюонов.
Исторические детекторы и ядерные фотоэмульсии.
Литература:
1.
2.
3.
4.
5.
The Review of Particle Physics: http://pdg.lbl.gov/
Claus Grupen. Particle Detectors: grupen.pdf
Particle Detectors - Principles and Techniques. Lectures at CERN:
http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=a042929
Серия конференций Excellence in Detectors and Instrumentation Technologies
https://conferences.fnal.gov/edit/
К.Н. Мухин «Экспериментальная ядерная физика», том 1
Игорь Алексеев и Дмитрий Свирида
[email protected], ИТЭФ, комната 5, корпус 101, (499)789-66-29

3.

Немного о релятивистской кинематике
Система единиц:
c (скорость света) ≡ 1
Энергия (E): эВ – электронвльт = 1.6·10-19 Дж, 1 ГэВ = 109 эВ
Скорость β=v/c
Масса (m): ГэВ/с2 или просто ГэВ
Импульс (p): ГэВ/с или просто ГэВ
Формулы:
Энергия: E2 = m2 + p2 , β = p/E
Гамма-фактор: γ = E/m = (1 – β2)-1/2
Импульс: p = βm(1 – β2)-1/2 при β<<1 p = mβ
Время жизни частицы в лабораторной системе: τлаб = γτсцм
Кинетическая энергия: T = E - m при β<<1 T = mβ2/2

4.

Какие частицы мы непосредственно
регистрируем? – Те, которые могут долететь до
детектора, т.е. относительно долгоживущие
Протон (p) – масса ~ 1 ГэВ, заряд +1, стабилен
Нейтрон (n) - масса ~ 1 ГэВ, заряд 0, время жизни ~ 900 с
Электрон (e) - масса ~ 0.5 MэВ, заряд -1, стабилен
Мюон (μ) - масса ~ 0.1 ГэВ, заряд -1, период полураспада ~ 2 мкс
Фотон (γ) - масса = 0 MэВ, заряд 0, стабилен
Нейтрино (ν) - масса = 0 MэВ, заряд 0, стабилен
Пи-мезон (π+) - масса ~ 0.14 ГэВ, заряд +1, время жизни ~ 26 нс
К-мезон (K+) - масса ~ 0.5 ГэВ, заряд +1, время жизни ~ 13 нс
K0L-мезон – масса ~ 0.5 ГэВ, заряд 0, врмя жизни ~ 51 нс
Гипероны (Λ, Σ, Ξ, Ω) – масса ~ 1.1-1.3 ГэВ, время жизни ~ 0.1-0.3 нс
+ Античастицы
+ ядра
Все ! - Это полный список !

5.

Фундаментальные взаимодействия
Сильное
Электромагнитное
Слабое
Гравитационное
Сечение
детектор
NB
S
NT
ND
σ
N D =N B N T
S
1 barn = 10-28 m2
пучок
мишень

6.

Регистрация частиц
Прохождение частицы
Черенковское или
переходное излучение
Ионизация
Свет
Детектирование
фотонов
Заряд
Проявление

7.

Задачи:
(недостающие константы взять с pdg.lbl.gov)
1. Найти скорость (β) протона с импульсом 1.0 ГэВ/с.
2. Найти среднюю длину пролета (до распада) π-мезона с энергией
10 ГэВ/с2.
3. Найти кинетическую энергию нейтрона со скоростью β=0.97.
4. Найти разность времени пролета расстояния 10 м для К-мезона и
протона с импульсом 2 ГэВ/с.
5. Найти скорость (β) α-частицы с кинетической энергией 5.5 МэВ.