Wohin die Energie geht

Die Messung der Energien hochenergetischer Elementarteilchen bietet den Zugang zu neuen Entdeckungen in der Teilchenphysik.Sehwook Lee,John HauptmanUndRichard WigmansBeschreiben Sie, wie die jüngsten Entwicklungen bei Kalorimetern dazu beitragen, das Fachgebiet voranzubringen

Teilchenphysiker nutzen seit etwa 70 Jahren Kalorimeter der einen oder anderen Art. Das Grundprinzip dieser Arbeitsgeräte ist einfach: Die Idee besteht darin, die Energien von Elementarteilchen wie Elektron, Proton und Neutron sowie von künstlich erzeugten Teilchen wie Pionen und Kaonen zu messen, indem man sie in ein dichtes Medium schickt, wo sie interagieren. Bei jeder Wechselwirkung entstehen mehr Teilchen mit niedrigerer Energie, die ebenfalls mit dem Medium interagieren, und der Prozess wird fortgesetzt, bis die Energie des ursprünglichen Teilchens vollständig erschöpft ist. Indem wir das Wechselwirkungsmedium mit ladungsempfindlichen Detektoren durchsetzen und die aufgezeichneten Signale aufsummieren, können wir die Gesamtenergie des ursprünglichen Teilchens messen.

Im Bild oben ist ein Teilchenschauer zu sehen, der durch ein hochenergetisches Elektron ausgelöst wird. Dabei werden die geladenen Teilchen des Schauers (Elektronen und Antielektronen bzw. Positronen) über eine Nebelkammer sichtbar gemacht: ein klassisches Kalorimeter, ein sogenanntes Sampling-Kalorimeter. Die Entwicklung dieser Teilchenschauer ist höchst zufällig. Die Anzahl der im Schauer erzeugten Teilchen N ist ein direktes Maß für die Energie E des auslösenden Teilchens. N folgt einer Poisson-Verteilung, sodass die zufälligen Fluktuationen in N gleich √N sind und daher die relative Präzision in N, also die Energieauflösung, √N/N beträgt. Die Energieauflösung ist eine einfache Formel: σE/E ≈ k/√E. Dieses Nebelkammerkalorimeter hat k ≈ 85 %, wenn E in GeV-Einheiten ausgedrückt wird (als Referenz beträgt die Ruhemassenenergie eines Protons etwa 1 GeV); Für ein modernes elektromagnetisches Probenahmekalorimeter beträgt k typischerweise 10 % oder mehr.

Elektronenenergien lassen sich in Kalorimetern leicht messen, da diese Teilchen über die elektromagnetische Kraft interagieren und nur zwei einfache Wechselwirkungen zulässig sind. Im Gegensatz dazu interagieren Teilchen, die der starken Kernkraft ausgesetzt sind (wie Protonen, Neutronen, Pionen und Kaonen – zusammenfassend als Hadronen bekannt), über eine Vielzahl stark schwankender Mechanismen, wobei zusätzliche Komplikationen mit dem Aufbrechen von Kernen und der für die Kernbindungsenergie aufgewendeten Energie verbunden sind .

Die enorme Komplexität eines Hadronenschauers wird in Abbildung 1 veranschaulicht, die die Ergebnisse einer Simulation (erstellt mit dem CERN-Code GEANT4) eines 500-GeV-Protons zeigt, das in einen Kupferabsorber eintritt. Geladene Hadronen sind in Blau dargestellt, während Elektronen und Positronen in Rot dargestellt sind. Visuell zeigt die Intensität der Farbe den Energieverlust der Partikel an und stellt das vom Kalorimeter erzeugte Signal dar.

Die Teilchenwechselwirkungen in Schauern wie diesem sind ein komplexes, aber äußerst wichtiges Forschungsgebiet der Teilchenphysik, und im CERN-Forschungs- und Entwicklungsprojekt RD52 untersuchen wir sie mit einem neuartigen Kalorimeter (vollständige Ergebnisse des Projekts sind verfügbar unter www.phys.org). .ttu.edu/~dream, wo man eine Sammlung hadronischer Schauer sehen kann, die durch Protonen in einem Kupferabsorber induziert werden. Diese „Dual-Readout“-Instrumente bestehen aus Kupfer oder Blei und sind mit zwei Arten von optischen Fasern durchsetzt: Szintillationsfasern, die alle geladenen Teilchen erfassen, und transparenten Fasern, in denen Cherenkov-Licht überwiegend durch die Elektronen und Positronen des Schauers erzeugt wird. Diese beiden sehr unterschiedlichen Signale eines Schauers werden in Kombination verwendet, um eine hochpräzise Messung der Hadronenenergien zu extrahieren – darunter vor allem die Energien von „Jets“ von Teilchen, die aus der Fragmentierung eines Quarks oder Gluons resultieren, die bei fundamentalen Wechselwirkungen wie z diejenigen, die am Large Hadron Collider des CERN und anderen Einrichtungen auf der ganzen Welt untersucht wurden.

Ein Kalorimeter, das speziell zur Messung dieser Partikelstrahlen entwickelt wurde, ist in Abbildung 2 dargestellt. Es besteht aus Fasern mit einem Durchmesser von 1 mm und einem Mittelpunkt von 1,5 mm, die gleichmäßig in einem Kupferabsorber verteilt sind. Die Größe dieses Absorbers wird durch die charakteristischen Wechselwirkungsabstände von Elektronen und Hadronen bestimmt. Die Distanz, über die ein Elektron wechselwirkt und weitere Teilchen erzeugt, wird Strahlungslänge genannt und beträgt bei den meisten Metallen (einschließlich Kupfer) etwa einen Zentimeter. Die entsprechende Entfernung, über die ein Hadron wechselwirkt, wird als Kernwechselwirkungslänge bezeichnet. Dies ist erheblich länger, typischerweise 20–30 cm, und es sind mehrere Kernwechselwirkungslängen erforderlich, um einen hadronischen Schauer vollständig zu absorbieren. Der Unterschied ist im simulierten Schauer in Abbildung 1 deutlich zu erkennen, der zeigt, wie die blau geladenen Hadronen längere Strecken zurücklegen, bevor sie interagieren. Offensichtlich interagieren die rot gefärbten Elektronen und Positronen auf einer viel kürzeren Skala. Die im gesamten Volumen sichtbaren roten Salz- und Pfefferpunkte sind Elektronen aus der Compton-Streuung niederenergetischer Photonen (ca. 1 MeV), die einen minimalen Wirkungsquerschnitt für die Wechselwirkung bei dieser Energie haben und sich daher räumlich im Kalorimeter ausbreiten.

Die Variation und Komplexität bei der Entwicklung von Schauern stellen eine Herausforderung für Kalorimeter dar. Um eine genaue Messung der Gesamtenergie zu erhalten, müssen wir jede schwankende Komponente einer Dusche messen. Der elektromagnetische Anteil besteht aus Elektronen und Positronen und wird durch das in den klaren Fasern erzeugte Cherenkov-Licht gemessen. Die geladenen Hadronen werden durch das in den Szintillationsfasern erzeugte Szintillationslicht gemessen, und die Neutronen aus der Kernzerstörung werden durch die sich spät entwickelnden Rückstoßprotonen aus der elastischen Neutronen-Protonen-Streuung in den Szintillationsfasern gemessen.

Dieser Dual-Readout-Ansatz wurde gründlich getestet und liefert sowohl in Simulationen als auch in Daten Energieauflösungen nahe σE/E ≈ 30 % /√E. Dies bedeutet, dass die Energie von 100-GeV-Jets mit einer Genauigkeit von 3 % gemessen werden kann, was viel besser ist als mit derzeit verfügbaren Kalorimetern erreichbar. Die Hauptschwierigkeit beim Bau eines solchen Kalorimeters besteht darin, den Kupferabsorber mit der erforderlichen Präzision zu formen: etwa 10 µm auf einer Länge von etwa 2,5 m. Diese räumliche Präzision ist erforderlich, um eine äußerst gleichmäßige Verteilung der beiden Fasertypen relativ zum Absorber aufrechtzuerhalten (besser als 1 %, gemittelt über ein zigarrenförmiges Volumen). Da die Energiemessung entscheidend vom in den Fasern erzeugten Licht abhängt, erzeugen die hier entstehenden Schauer 1 % mehr Licht, wenn ein Bereich des Kalorimeters eine um 1 % höhere Faserdichte aufweist. Ein Ensemble von Schauern gleicher Energie wird eine um 1 % breitere Signalverteilung haben.

Wir haben verschiedene Methoden zur Herstellung dieser Kupferabsorber getestet, darunter Walzen von Kupferblechen, Schälen, Extrudieren, Wasserstrahlnuten, chemisches Ätzen und Schneiden mit Klingen. Lediglich der Schneidevorgang war erfolgreich, allerdings auch schwierig und teuer. Ein industrielles Verfahren mit Walzen – möglicherweise mit mehreren Walzungen – könnte erfolgreich sein, aber in all unseren Tests führte das Walzen von Kupfer aufgrund der Kaltverfestigung immer zu stark verzogenen Blechen. Bevor wir die verbesserte Leistung unseres Kalorimeters wirklich nutzen können, benötigen wir eine bessere Möglichkeit, die Kupferbleche für groß angelegte Tests herzustellen.