Robert Hofstadter (1973) - Applications of Total Absorption Detectors to High Energy Physics

Ich danke Herrn Professor Fuchs für diese freundliche Einführung. Ich möchte heute über einige Anwendungen von neuen Detektionsmethoden in Hochenergieprozessen sprechen. Wie Sie wissen, ist bei Experimenten in der Elementarteilchen- und Hochenergiephysik im Allgemeinen eine ziemlich große Gruppe zur Durchführung dieser Arbeit erforderlich. In diesem besonderen Fall möchte ich meine Kollegen namentlich erwähnen, die den Großteil der Arbeit erledigt haben. B. L Beron, J. F. Crawford, R. L. Ford, E. B. Hughes, Reinhold Kose aus Bonn, Pierre LeCoultre, Terry Martin, L. H. O'Neill, R. Rand, R. Schilling, J. Simpson und Ralf Wedemeyer ebenfalls aus Bonn. Wir haben mit Physikern dieses Landes, aber auch mit Leuten aus England zusammengearbeitet. Obwohl an diesen Versuchen viele Personen beteiligt waren, war es auch eine persönliche Angelegenheit, und gestatten Sie mir, dies zu erwähnen und ein bisschen zurück in die Geschichte der Entwicklung des Themas zu gehen, über das ich reden werde. Zunächst habe ich im Jahr 1948 in Princeton gearbeitet und nach der Pionierarbeit von Kalman mit den Szintillationszählern begann ich, mit einem kristallinen Material zu arbeiten, das Natriumiodid heißt. Ich mischte diesem Kristall etwas Thallium bei und beobachtete, dass daraus ein guter Szintillationsdetektor wurde. Im Jahr 1950 konnten wir mit John McEntire zeigen, dass diese Kristalle sehr gute spektroskopische Informationen lieferten. Das heißt, dass wir Gammastrahlen mit diesen Kristallen entdecken konnten. Und anhand der Größe der Lichtblitze konnten wir feststellen, wie groß die Energie der Gammastrahlen war. Die Genauigkeit war etwas besser, als zu der Zeit mit anderen Methoden erreicht worden war, zumindest die Methoden mit solch einem hohen Wirkungsgrad, fast 100 %. Ich ließ dieses Gebiet fallen, als ich an die Stanford University ging, und fing dort mit Elektronenstreuung an. Die Arbeit führte ich derzeit mit Robert McAllister zusammen durch. Wir legten die Versuchsergebnisse als einen Formfaktor aus, oder was, salopp formuliert, einer Ladungsverteilung innerhalb des Protons gleichkommt. Um diese Auslegung vorzunehmen, musste man davon ausgehen, dass die Quantenelektrodynamik für solch geringe Entfernungen gültig war. Diese Entfernungen waren von der Größenordnung von 10^-13 Zentimetern. Vor 5 oder 6 Jahren nahmen ein paar Leute von uns in Stanford das Natriumiodid-Technologie wieder auf, die Szintillationstechnik, und versuchten, einen großformatigen Detektor zu bauen, um die Energien von Gammastrahlen und anderen sehr hochenergetischen Teilchen messen zu können. Ich glaube, ich habe über dieses Thema schon zwei Mal bei diesen Veranstaltungen geredet. Nun stellt sich heraus, dass diese großen Kristalle, von denen ich einige Beispiele in der Art, wie wir sie heute verwenden, zeigen werde, durch irgendeinen Zufall direkte Anwendung in dem Test der Elektrodynamik finden, mit den höchsten Energien in Impulsüberträgen, die je beobachtet wurden. Ich möchte Ihnen heute einiges von dem Material zeigen. Es ist nicht ganz vollständig, es ist gar nicht vollständig, weil unsere Messzeit in ungefähr 4 oder 5 Tagen beginnt. Aber ich habe schon einige Informationen, die zum Aufbau des Versuchs gehören und Ihnen einen Eindruck von dem verleihen, was wir in den kommenden Monaten oder so finden könnten. Und ein Teil der Informationen, die ich heute vorstellen werde, wird hier zum ersten Mal überhaupt vorgestellt. Es ist also wirklich Originalmaterial. Der Elektrodynamik-Test, den ich meine, wurde im SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford durchgeführt, dem Zentrum für Linearbeschleuniger mit dem sogenannten SPEAR, einem Speicherring. In dieser Anlage gibt es zurzeit einen Positronen-Kreisstrahl und einen Elektronen-Kreisstrahl, die in zwei Wechselwirkungsbereichen zur Kollision gebracht werden. Unser Experiment findet in einem der beiden Wechselwirkungsbereiche statt. Die Energie in den Positronen und Elektronen beträgt jeweils ungefähr 2,6 oder 2,7 GeV. Aber bevor ich hier näher darauf eingehe, möchte ich Ihnen eine Einführung in die Verfahren geben, da viele von Ihnen zum ersten Mal hier sind. Ich denke, das geht am besten mit ein paar Dias. Ich habe ziemlich viele Dias und hoffe, dass ich Sie damit nicht langweilen werde. Aber bevor ich anfange, möchte ich noch eine Anmerkung machen. Diese Rede wird von den folgenden Dingen handeln. Die Groß-Kristall-Technologien, auf die ich mich beziehe, können in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Und wir haben im Wesentlichen zwei Experimente durchgeführt und ich möchte sie als Beispiel nutzen, um zu zeigen, was machbar ist. Das Erste war eine inklusive Reaktion, die negative Pionen an Protonen verwendet, die neutrale Pionen plus irgendetwas erzeugen. Das nennt man eine inklusive Reaktion. Und alles, was man in unserem Experiment untersucht, ist das neutrale Pion. Wir bestimmen die Winkelverteilung und die Energie des neutralen Pions, das in dieser Reaktion erzeugt wird. Ich werde Ihnen einige Details zeigen. Wir haben es auch pi+ + proton -> pi Null + x gemacht und dann ist es möglich, diese beiden Reaktionen mit denen zu vergleichen, die bereits bekannt und untersucht worden sind, die geladene Pionen hier und geladene Pionen hier benutzen. Ich werde Ihnen diesen Vergleich zeigen. Diese beiden Experimente wurden mit ungefähr 14 GeV des einfallenden Pions durchgeführt. Das ist also das erste Experiment, über das ich in der Form einer Anwendung dieser Techniken sprechen werde. Das zweite Experiment ist das, das ich bereits erwähnt habe und es wird in den Collidern, den Strahlenstoß-Anlagen, durchgeführt. Hier sind e+ + e- beteiligt, die zu unterschiedlichen Dingen führen. Man kann zunächst einmal e+ + e- haben, das ist die elastische Streuung. Und man kann natürlich auch dies haben. Doch die gleiche Reaktion kann zu einer Zwei-Gamma-Vernichtung werden und das kann zu mü+ + mü- führen. Und dann ist hier eine andere Reaktion, üblicherweise e+ + e-, plus ein Gammastrahl, wobei der Gammastrahl sehr viel Energie und ungefähr dieselben Eigenschaften wie die eines der Elektronen hat, während der andere sich wie ein Zuschauer im Prozess verhält. Dann gibt es viele weitere Prozesse, die weiter passieren, wie die Hadronenerzeugung und so weiter. Und während unsere Apparatur diese Dinge detektieren kann, haben wir bei dem Vorschlag des Experiments nur über die Durchführung solcher Experimente gesprochen. Es ist nicht genug Zeit vorhanden, um irgendetwas von den anderen Sachen zu untersuchen. Und außerdem, der Vorschlag dieses Experiment durchzuführen, es wird übrigens mit ca. 2,7 GeV für das Positron und 2,7 für das Elektron durchgeführt. Die Energie im System des Massezentrums beträgt somit ungefähr 5,4 GeV. Das ist also sehr viel Energie für diese Art von Prozessen. Nun zeigt sich, dass in dem ursprünglichen Vorschlag für die Durchführung dieser Arbeit davon ausgegangen wurde, dass die SPEAR-Anlage eine Luminosität haben sollte, die Strahlen in einem Bereich zwischen 10^31 und 10^32 cm^2 pro Sekunde entsprechen sollte. Leider wurde die Leistung dieser Größenordnung noch nicht erreicht. Wir liegen also bei einem Faktor von 10, ich meine die Leistung der Anlage beträgt ungefähr um Faktor 10 weniger Leistung als die gewünschte. Und auch die relative Einschaltdauer, die Zeit, in der die Anlage in Betrieb ist, stellt sich als geringer als erwartet heraus. Er ist nur ungefähr 40 % der Zeit eingeschaltet. Wenn man diese Faktoren zusammenzählt, verlieren wir bei der Luminosität ungefähr einen Wert um Faktor 20, von dem, den wir erwartet haben. Wir bekommen die Daten also viel langsamer, als ursprünglich angenommen. Und wie Sie sich vorstellen können, fragen wir gerade nach einer Zeitverlängerung. Aber wenn wir die Zeit, die wir zur Verfügung hatten, um das 20-fache verlängern möchten, denke ich, dass wir eine Absage bekommen, deshalb weiß ich nicht, was passieren wird. Aber dieses besondere Experiment wurde so aufgebaut, dass es drei Messzeiten gibt. In der ersten Phase, die üblicherweise ungefähr einen Monat dauert, baut man die Anlage auf. In der zweiten Phase versucht man, die Anlage in Betrieb zu nehmen und alle Fehler und so weiter zu beheben. In der dritten Phase erfasst man dann letztendlich die Daten. Wir haben bereits die erste Phase und die zweite Phase abgeschlossen und in ein paar Tagen werden wir anfangen, die Daten zu erfassen, die realen Daten für das Experiment. Nun will ich am Ende kurz über die Anwendung dieser großen Detektoren für die Detektion von stark wechselwirkenden Teilchen sprechen. Dies ist eine Abkürzung für Totalabsorptions-Nuklear-Kaskaden-Detektoren. Und wir hoffen, dass wir die großen Kristalle im September aus der SLAC-Anlage nehmen können und in das National Acelerator Laboratory in Batavia bringen können, wo wir untersuchen wollen, wie sich diese Detektoren bei Energien im Bereich von 200, 300, 400 GeV verhalten. Wenn das gut funktioniert, wovon wir ausgehen, werden wir versuchen, einige Wirkungsquerschnitts-Experimente durchzuführen. Ich denke, ich werde jetzt am besten mit den Dias beginnen. Ich habe sehr viele davon und ich hoffe, dass ich Sie damit nicht in den Schlaf versetze. Die meisten werde ich nur sehr kurz erläutern. Ich beeile mich, denn ich denke, der Grundgedanke ist ziemlich simpel und muss nicht großartig erklärt werden. Diese Folie zeigt den sogenannten TASC-Detektor. Das steht für 'Total Absorption Shower Counter'. Er wird gewöhnlich zur Detektion von elektromagnetischen Kaskaden eingesetzt. Und hier ist eine elektromagnetische Kaskade, bei der Paarerzeugung und Bremsstrahlung die wesentlichen Bestandteile sind, durch die die ursprüngliche Energie in ein Bündel kleinerer Päckchen unterteilt wird. Und wenn man dann einen Detektor hat, der groß genug ist, kann man die ganze Strahlung einfangen. Und hier sieht man, wenn das zum Beispiel Natriumiodid ist, kann man sich die Größe des Lichtblitzes ansehen, und wie ich schon vorher erwähnt hatte, ist die Größe des Lichtblitzes dann proportional zur Energie der eintreffenden Teilchen. Wenn dieser Detektor also das Teilchen entdeckt, wird er die Ankunftszeit feststellen und die Energie des Elektrons oder des Gammastrahls. Ein Gammastrahl verhält sich im Wesentlichen genauso, außer, dass der Gammastrahl nach dem Eintreffen in Wechselwirkung steht und ein Paar erzeugt, ein Elektron-Positron-Paar, und dieses Paar durchläuft weiter den Prozess. Es ist klar, dass man den Austritt von fast allem vermeiden kann, wenn man das Gerät groß genug baut, und dann hat man eine Art richtige Messung der Energie. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Dies ist ein frühes Konzept eines solchen Detektors und Sie können die Größenordnung des Geräts sehen. Dies ist ein Natriumiodid-Thallium-Detektor mit 4 Scheiben, 1,2,3,4, wo der Photomultiplier hier gezeigt wird und die Maße sind ungefähr 24 Zentimeter in diese Richtung. Und jeder war, sehen Sie, ungefähr 12 Zentimeter in diese Richtung. Das war also eine Anordnung von vier Detektoren. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Und hier sieht man die nächste Entwicklungsstufe. Dieser Kristall war größer, als diejenigen, die wir in den vorherigen Dias gesehen haben. Dieser war ungefähr 15 Zentimeter in diese Richtung und ungefähr vielleicht 30 Zentimeter in diese Richtung. Das ist ein merklich großer Kristall und er wog über 250 Pfund. Und hier sieht man die Photomultiplier. Nächstes Dia. Es zeigt, wie die verschiedenen Einheiten zusammengesetzt werden. Und hier wird ein Experiment gezeigt, das vor einigen Jahren am SLAC durchgeführt wurde. Ein Elektronenstrahl oder ein Pionenstrahl kommt hier durch die Öffnung und wird hier detektiert. Der große Kristall, den ich Ihnen gerade gezeigt habe, ist der hier. Das nächste Dia, bitte. Ich glaube, das könnte etwas schärfer eingestellt werden. Und hier sieht man eine weitere Entwicklungsstufe. Das war der größte Kristall, mit dem wir bis zu dem Zeitpunkt jemals gearbeitet haben. Dieser ist ungefähr 60 oder 70 Zentimeter lang und ungefähr 38 Zentimeter in diese Richtung. Dieser Kristall wog 1.000 Pfund. Der Behälter dafür wird hier abgebildet. Der ist groß genug, um Gammastrahlen bis zur höchsten Energie festzustellen, die überhaupt jemand aktuell messen möchte. Das nächste Dia, bitte. Hier wird gezeigt, wie der Kristall eingesetzt wurde, wieder im SLAC, mit den Photomultipliern hier und einigen kleinen Photomultipliern auf der Seite, die die Leistung des Kristalls abstimmen und verbessern sollten. Die Idee war, die verschiedenen Photomultiplier untereinander abzustimmen, um die bestmögliche Energieauflösung zu erhalten. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Das hier ist das beste Ergebnis, das wir jemals erzielt haben. Und dies stellt eine Auflösung von 7/10 von 1 % der Halbwertsbreite dar. Dies ist die Anzahl der Pulse als Funktion der Pulshöhe. Die wurde mit dem großen Kristall erreicht, den ich Ihnen gerade gezeigt habe. Die Daten wurden für 15 GeV Elektronen erreicht. Das war die beste Einstellung für den Kristall, die wir vornehmen konnten. Und bei der aktuellen experimentellen Arbeit haben wir nie die Zeit, die Dinge so gut zu machen wie dieses hier. Die Leistung ist also eigentlich nicht so gut. Aber dies zeigt, was gemacht werden kann und es besteht Hoffnung, es auch besser als dies hier zu machen. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Dies ist die typische Leistung des 24 mal 16 Inch Kristalls. Das ist die Auflösungskurve und die liegt bei ca. 1 % bei 15 GeV. Es ist möglich, über eine weit verbesserte Leistung nachzudenken, was nur von der Statistik der zu erfassenden Elektronen an den Fotokathoden der Photomultipliern abhängt, aber davon sind wir weit entfernt. Und diese Leistung ist wahrscheinlich auf das Entkommen von niedrigenergetischen Gammastrahlen an den Seiten und am Ende des Kristalls zurückzuführen. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Dieses Bild zeigt, dass der Kristall in seiner Leistung linear ist und das hat man gerne. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Hier wird die nächste Stufe gezeigt und ich glaube es kann noch etwas schärfer eingestellt werden. Dies ist ein großer Natriumiodid-Kristall in einem Aluminium-Behälter. Dieser ist ungefähr 76 Zentimeter im Durchmesser und ungefähr 25 Zentimeter dick. Und dieser Kristall wiegt allein eine halbe Tonne, also 1.000 Pfund. Und das ist Barry Hughes, eine der Hauptpersonen, der diese Technologie entwickelt hat. Dank der Güte und dem Vertrauen der National Science Foundation konnten wir 6 Einheiten dieser Art und einige andere Einheiten kaufen, die im Durchmesser gleich groß waren, aber eine geringere Dicke hatten, so dass wir ungefähr 31/2 Tonnen Natriumiodid zusammengesetzt haben. Und dies ist weit entfernt von den 1-Zentimer-Kristallen, mit denen ich 1948 gearbeitet habe. Diese sind notwendig, wenn man Weitwinkel-Untersuchungen von Gammastrahlung und anderen Dingen dieser Art machen möchte, die ich Ihnen jetzt zeigen werde. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Dieses Dia zeigt Ihnen das zeitliche Verhalten dieser Kristalle. Normalerweise dauert der Abfall eines Natriumiodid-Pulses 250 Nanosekunden. Und hier sieht man einen typischen Abfall in einem großen Kristall dieser Art, von 20 Inch in der Dicke und 30 Inch im Durchmesser. Das ist zwei Mal so dick wie der Kristall, den ich Ihnen auf dem vorherigen Dia gezeigt habe. Und das ist eine Energie von 580 MeV, eine relativ geringe Energie bei einer Auflösung von 2,35 %. Sehen Sie, 100 Nanosekunden sind dieses Intervall von hier nach da. Man hat also zusätzlich zur Abfallzeit einen in diesem Fall nicht sehr großen Beitrag zur Laufzeit, die Zeit, die das Licht für die Strecke innerhalb des großen Kristalls benötigt. Das dauert eine gewisse Zeit. Es ist in diesem Fall nicht von großer Bedeutung, aber wenn man versucht, den Puls abzuschneiden und zu beschleunigen, dann wird es wichtig. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Hier wird gezeigt, wie sich die Breite auf 3,1 % vergrößert hat, wenn man den Puls abschneidet, wie hier gesehen, das sind dann 210 Nanosekunden an der Basis. Und das ist typischerweise das, was man zu verwenden erwartet. Es ist auch möglich, andere Verfahren für die Zeitnahme zu nutzen. Tatsächlich wurden diese Kristalle dazu verwendet, Ereignisse mit einer Präzision von 10 bis 20 Nanosekunden zu bestimmen. Das wird sehr wichtig für Flugzeitbetrachtungen in einigen Experimenten, die wir durchführen. Das nächste Dia, bitte. Das zeigt das erste Experiment, das ich beschrieben habe. Das, bei dem wir negative Pionen und positive Pionen haben, die mit Protonen in Wechselwirkung stehen, um neutrale Pionen zu erzeugen. Hier ist der experimentelle Aufbau dieser Anordnung. Dieses Experiment wurde am SLAC mit einem Strahl von ca. 14 GeV für negative und positive Pionen durchgeführt, mit einem flüssigen Wasserstoff-Target und einem Räummagnet, der den Hauptstrahl des Pions hier zur Seite und somit aus dem Weg lenkt. Und dann einen Heliumbeutel, um die Luft zu ersetzen, das verursacht weniger Absorption der Gammastrahlen und erzeugt außerdem weniger Rauschen und Untergrund im Gerät. In dem flüssigen Wasserstoff-Target produziert man neutrale Pionen, und wie Sie wissen, zerfallen die neutralen Pionen praktisch unmittelbar in zwei Gammastrahlen. Und im System des Massezentrums haben die beiden Gammastrahlen dieselbe Energie, aber die Richtungen können unterschiedlich sein. Man erhält also eine ganze Verteilung von Gammastrahl-Energien im Laborsystem. Jeder einzelne Gammastrahl, der durch den Zerfall des pi Null erzeugt wurde, kommt also in die eine oder in die andere dieser Kristallanordnungen. Und die Kristallanordnung wird hier auf einer vergrößerten Skala gezeigt. Hier gibt es einen Antikoinzidenzzähler, der anzeigt, dass man einen Gammastrahl und kein ionisierendes Teilchen hat. Und man hat einen Konverter, der angibt, dass sich die Gammastrahlen in einem Elektron-Positron-Paar und einem Schauer materialisiert haben. Dann haben wir hier noch ein Hodoskop mit 10 Elementen in diese Richtung und 10 Elementen in die andere Richtung, um den Emissionswinkel des Gammastrahls zu bestimmen. Dann haben wir hier noch einen Gesamtabsorptionsdetektor. Pi Null kann anhand seiner invarianten Masse erkannt werden. Seine invariante Masse ist die Quadratwurzel aus der zweifachen Energie in dem einen Zähler multipliziert mit der Energie, die der andere Zähler misst, multipliziert mit dem Sinus der Hälfte des enthaltenen Winkels. Wenn also ein Gammastrahl hier und der andere Gammastrahl dort verläuft, reicht es nicht aus, nur zu wissen, dass sie in diese beiden Detektoren gelaufen sind, um die invariante Masse zu erhalten. Man muss also eine größere Unterteilung haben, die anzeigt, wohin die Gammastrahlen in dem Kristall gelaufen sind. Das ist die Idee des Hodoskops. Die Auflösung, die mit dieser invarianten Masse verbunden ist, ist in diesem Experiment nicht abhängig von der Energieauflösung des Kristalls, sondern von dem Feinheitsgrad des Hodoskops, das heißt, von der kleinen Größe der Elemente. Und in diesem Fall waren sie nicht sehr klein, einige Inches groß, so dass die Auflösung durch die Größe der Hodoskop-Elemente begrenzt ist. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Dies zeigt den experimentellen Aufbau, es zeigt die Heliumbeutel und das Rohr, das die negativen Pionen an der Seite herausführt. Das Bild könnte schärfer eingestellt werden. Und hier ist eines der großen Detektorsysteme und hier ist das andere. Könnten Sie das Bild etwas schärfer einstellen, denn man sieht diese Hodoskop-Elemente kaum? Auf jeden Fall gibt es hier 10 Hodoskop-Elemente. Ja, man kann sie sehen. Und diese ganze Apparatur könnte bewegt werden, damit man eine Winkelverteilung erhält. Das ist sehr gut. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Das zeigt die invariante Masseverteilung, die man für pi Null erhält, und die Masse erscheint genau an der richtigen Stelle hier, 140 MeV oder so. Und die Halbwertsbreite liegt bei 11 %. Wie ich vorher erwähnt hatte, wird diese Breite durch die Größe der Hodoskop-Elemente und nicht durch die Auflösung des Kristalls bestimmt. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Man sieht dann in dem vorherigen Dia, dass man die pi Null-Ereignisse sehr klar herauslesen kann. Und da gibt es nicht sehr viel Untergrund. Hier sieht man jetzt den Wirkungsquerschnitt für den Prozess, mit negativen Pionen, die eintreffen. Und hier ist die maximale Energie, die das pi Null haben kann. Und hier ist die Verteilung, die eine Funktion des Längsimpulses des pi Null ist. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Hier wird die entsprechende Verteilung als Funktion des Längsimpulses für pi+ gezeigt, pi+ ist auf Protonen, ergibt auch pi Null-Teilchen und wie Sie sehen, ist die Verteilung sehr ähnlich. Das hat uns überrascht, aber wahrscheinlich gibt es keinen Grund überrascht zu sein, nachdem man es gesehen hat. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Es tut mir leid, dass man nicht genau erkennen kann, was es ist, es gibt für einen vorgegebenen Längsimpuls des Pions eine transversale Impulsverteilung. Und das ist die transversale Längsverteilung für den negativen, der negative Pionenprozess an diesem Längsimpuls. Die Skala hier reicht von 0 bis 0,7 GeV/c^2, das heißt q^2, das Quadrat des Impulsübertrags. Das ist eine empirische Anpassung an die Daten. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Die nächsten Dias sind alle ähnlich, aber es sind unterschiedliche Werte des Längsimpulses. Hier sieht man, wie es aussieht. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Und hier ist es bei 9 GeV/c und empirisch betrachtet, beginnt sich die Verteilung hier ein bisschen zu ändern. Das ist wieder mit negativen Pionen. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Das ist auch wieder mit negativen Pionen bei 10 GeV/c und die Verteilung sieht jetzt eher so aus. Das nächste Dia, bitte. Hier haben wir jetzt einen Vergleich von unseren Ergebnissen mit neutralen Pionen mit den Ergebnissen der geladenen Pionen von Albert et al. Können Sie das Bild etwas hoch schieben, bitte, ja. Hier sehen Sie die pi Null-Verteilung, die der pi- Verteilung bei geringen Werten der Längsimpulse ziemlich ähnlich ist. Aber bei großen Werten hat man diesen großen Peak in der Verteilung des geladenen Pions, das sind die sogenannten "führenden Pionen". Und das sind die erzeugten Pionen. Soweit es um die neutralen Pionen und die geladenen Pionen geht, sehen die erzeugten Pionen ziemlich gleich aus. Aber natürlich wird dieser pi Null-Prozess am kinematischen Grenzwert benachteiligt und deshalb gibt es einen sehr großen Unterschied. Kann ich das nächste Dia haben, bitte? Hier werden ähnliche Daten für pi+ gezeigt, deshalb mache ich rasch weiter. Nächstes Dia bitte und weiter, das ist sehr ähnlich, die Ergebnisse für pi+ und pi- sind fast identisch. Nächste Folie bitte, ja und damit ist die Diskussion zum ersten Experiment beendet. Die Interpretation dieser Ergebnisse ist noch nicht klar und wurde noch nicht abgeschlossen, die Daten wurden erst kürzlich veröffentlicht. Aber ich glaube, dass die Daten eine Theorie von Professor Yang stützen, der heute hier ist. Obwohl ich nicht ganz sicher bin, dass die benutzten Energien hier groß genug sind, um die Bedingungen seiner Theorie zu erfüllen. Aber vielleicht wird er das noch kommentieren. Jetzt komme ich zum nächsten Experiment, dem zweiten Experiment, dem Strahlenstoß-Experiment. Bevor ich fortfahre, sollte ich erwähnen, dass diesem Thema Arbeiten von einer Gruppe in Frascati vorausgegangen sind und noch weitergehen, eine Zusammenarbeit zwischen Bologna und CERN. Sie haben ein sehr schönes Experiment zur Quanten-Elektrodynamik gemacht, bis zu 11/2 GeV für beide Positron und Elektron. Außerdem gibt es eine andere Arbeit von der Cambridge Group, dem MIT, der Harvard Group. Leider habe ich die Physical Review Letters in den Staaten vergessen und kann mich nicht erinnern, wie hoch ihre maximale Energie war. Aber sie war ungefähr gleich hoch oder vielleicht etwas höher als bei den Frascati-Ergebnissen. In beiden Fällen scheint es, als ob die Quanten-Elektrodynamik bis zu den Bedingungen, die in all diesen Experimenten untersucht wurden, gültig ist. Und grob gesagt, wenn man dies in Größen beschreiben will, heißt das, dass die Quanten-Elektrodynamik für Entfernungen in der Größenordnung von einigen 10^-15 Zentimeter gilt. Das ist also einige Hundert Mal kleiner als die Größe eines Protons. Das ist also eine bemerkenswerte Angabe der Gültigkeit der Elektrodynamik, die sowohl gut für diese sehr kleinen Entfernungen als auch für die makroskopischen Entfernungen funktioniert. Kann ich dasselbe Dia noch mal haben, bitte? Das Experiment, über das ich jetzt sprechen möchte, sollte ursprünglich in dieser Art durchgeführt werden. Dies ist das Strahlrohr, in dem die Positronen meinetwegen hier entlang und Elektronen hier entlang kommen. Und dann haben wir hier noch diese Totalabsorptions-Detektoren mit Konversionskristallen. Und diese Linien hier stellen Vieldraht-Proportionalzähler dar, die als feinskalige Hodoskope dienen. Die Apparatur, die wir dann gebaut haben, konnte bei 90 Grad eingesetzt werden oder in verschiedene Winkel gedreht werden wie hier gezeigt. Der Apparat misst und zeigt einem dann an, ob man geladene Teilchen wie Elektronen und Positronen, die eintreten und einen Schauer bilden, oder Gammastrahlen hat, oder in dieser frühen Situation haben wir kein mü+ und mü- entdecken können. Aber anschließend beschlossen wir, dass dies mit derselben Apparatur durchgeführt werden könnte. Ich denke, das nächste Dia wird das Schema zeigen, das derzeit im Einsatz ist. Das ist das Schema, das jetzt aktuell im Einsatz ist mit den Positronen, die hier eintreten, Elektronen, die hier eintreten, das hier ist der Wechselwirkungsbereich. Und die Detektoren sind zum Beispiel hier bei 42 Grad angeordnet. Wenn beispielsweise ein Elektron-Positron-Paar erzeugt oder gestreut wird, kann es hier entlang und hier entlang. Und es kann sogar in jeden Teil dieses Aufbaus eintreten. Und die Vieldraht-Proportionalkammern liefern uns die Winkelinformationen, damit man die Spur rückwärts verfolgen kann und feststellen kann, ob es aus dem Wechselwirkungsbereich kam. Wenn es nicht aus dem Wechselwirkungsbereich stammt, ist das irgendein zufälliges Ereignis oder vielleicht ein kosmischer Strahl oder irgendetwas. Wenn man Myonen detektieren möchte, wird ein Myon durch eine große Menge von Kristallen mit kaum Energieverlust bzw. mit sehr wenig Energieverlust gehen, durch eine weitere Eisenplatte und dann in einen anderen Natriumiodid-Detektor hier, einen 3-Inch-Detektor. Und das ergibt üblicherweise eine Landau-Verteilung für den Energieverlust. Man kann also anhand des Energieverlustes feststellen, dass es ein Myon ist. Hier sehen Sie eine Konverterplatte. Das ist eine Platte mit 1,25 Strahlungslängen aus Blei. Und ein Gammastrahl wird mit hoher Wahrscheinlichkeit in diesem Konverter umgewandelt und dann wird das Elektron-Positron-Paar hier detektiert. Ein Myon oder ein Elektron, nun, zuerst wird ein Elektron hier durchgehen und hier einen Schauer anfangen und die Energie wird hier aufgenommen. Aber zu diesem Detektor kommt nichts durch. Ein Myon wird einfach ...

Robert Hofstadter (1973)

Applications of Total Absorption Detectors to High Energy Physics

Robert Hofstadter (1973)

Applications of Total Absorption Detectors to High Energy Physics

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This is the third in a series of four Lindau lectures by Robert Hofstadter, in which he reports on his post-Nobel project: cystal detectors for gamma rays and other particles. In the first lecture, which was given in 1968, he mentioned the names of just a few collaborators and graduate students. But – as might be expected from a successful project - the number of collaborators had increased strongly by 1973, so in the present lecture a rather long list of names is read. Hofstadter starts out with some personal history, how he invented an improved scintillation counter using crystals of sodium iodide, activated by thallium, while he was still at Princeton University. In 1968 he returned to the same kind of crystals, spurred by the construction of the new electron accelerator at SLAC. Now, at the 1973 Lindau Meeting, he reports that in a few days his detector will be used to test quantum electrodynamics at the SPEAR colliding beam facility at SLAC, where GeV beams of electrons and positrons are made to collide. At the two earlier lectures, Hofstadter used the blackboard to explain the principles of the detector technique used. This time, maybe also a sign that the project has become more established and successful, he has a slide show with many slides, even though he still uses the blackboard to some extent. On top of what can happen in high energy collisions, Hofstadter also discusses the progress in making large crystals. Since a total absorption detector works by actually stopping the particles, the size of the crystal determines the maximum particle energy detectable. In the 1940’s, Hofstadter’s crystals typically had a weight measured in grams. Now they could be made to weigh several hundred kilograms and in the future they probably could weigh as much as several tons. Such large crystals could be used, e.g., for the study of cosmic rays.Anders Bárány

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