Z-Pfad
- Das Z-Boson - eine Einführung
- Das Higgs-Boson – Eine Einführung
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Teilchenidentifikation
- Der ATLAS-Detektor
- Probier es aus!
- Das Event Display HYPATIA
- Teilchenspuren in HYPATIA
- Übung 1
- Ereignisidentifikation
- Suchen und Entdecken – anhand der Masse
- An die Arbeit!
Wissens-Center
Teilchenidentifikation
Um die mit HYPATIA angezeigten Proton-Proton-Kollisionen auswerten zu können, musst Du wissen, wie Du die verschiedenen Teilchensorten voneinander unterscheiden kannst. In diesem Abschnitt erfährst Du, woran Du Elektronen (oder Positronen), Myonen (bzw. Antimyonen), Photonen, Neutrinos (und deren Antiteilchen) und hadronische Teilchen bzw. Jets im Event Display erkennen kannst.
Klicke auf die Bilder, um mehr über die Identifizierung von Elektronen, Myonen, Photonen, Neutrinos und Jets zu erfahren.
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Diese Signatur stammt von einem Elektron. Das Teilchen hinterließ eine Spur (rot) im inneren Detektor (ist also Träger einer elektrischen Ladung) und gab seine gesamte Energie im elektromagnetischen Kalorimeter ab, da lediglich Einträge in diesem zu finden sind. Dies erkennt man an den gelben Kästchen, die in den hellgrünen Strukturen liegen. Die hellgrünen Strukturen repräsentieren das elektromagnetische Kalorimeter. Da es keine Einträge im hadronischen Kalorimeter oder den Myonkammern gibt, handelt es sich um ein Elektron oder Positron.
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Das gleiche Ereignis in der Querschnittsansicht. Gut erkennbar sind die Spur durch alle drei inneren Detektoren und die gelben Kalorimetereinträge im elektromagnetischen Kalorimeter.
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Die Seitenansicht zeigt das Gleiche. Kombinierst Du Querschnitts- und Seitenansicht, bekommst Du einen räumlichen Eindruck des Ereignisses. Dies ist ein gutes Kopftraining.
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Wie kannst Du entscheiden, ob es sich um ein Elektron oder Positron handelt? In der Werkzeugleiste von HYPATIA findest Du eine Hand mit ausgestrecktem Zeigefinger. Durch Anklicken dieser Option kannst Du in den Ereignisansichten eine Teilchenspur (wiederum durch Anklicken) auswählen. Dadurch erhältst Du zusätzliche Informationen im Fenster unten rechts, z.B. die gemessenen Werte der räumlichen Komponenten des Impulses (Px, Py, Pz) und des transversalen Impulses (PT). Im nächsten Bild siehst Du die Informationen des Fensters.
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Das Vorzeichen des PT-Wertes (hier ein Minus) gibt Dir die Art der elektrischen Ladung des zur Spur gehörenden Teilchens an. Ein negatives Vorzeichen bedeutet: Das Teilchen ist elektrisch negativ geladen. Kein Vorzeichen (oder ein positives Vorzeichen) bedeutet: Das Teilchen ist elektrisch positiv geladen. Für unser Ereignis können wir nun feststellen, dass es sich um ein Elektron handelt.
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In diesem Ereignisbild sind eine Spur (orange) im inneren Detektor, kleine Energieeinträge sowohl im elektromagnetischen als auch im hadronischen Kalorimeter (gelbe Zelleinträge) sowie in den Myonkammern (orange) zu sehen. Es handelt sich um ein Myon (respektive um ein Antimyon), das einzige Teilchen, das den gesamten Detektor durchdringt und dabei Signale in allen Schichten hinterlässt.
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In dieser vergrößerten Querschnittsansicht kannst Du die orangen Einträge in den Myonkammern noch einmal deutlich sehen.
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In der Seitenansicht sind die einzelnen Kammereinträge durch orange Kreuze dargestellt. Alle Kreuzeinträge sind mit einer orangen Linie verbunden, welche die Spur des Teilchens veranschaulicht.
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Myon oder Antimyon? Das gleiche wie beim Elektron/Positron beschriebene Verfahren liefert das Ergebnis: In diesem Ereignisbild ist ein Myon dargestellt (negatives Vorzeichen).
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In diesem Ereignisbild sind viele Spuren (blau) im inneren Detektor, kleine Energieeinträge sowohl im elektromagnetischen als auch im hadronischen Kalorimeter (gelbe Zelleinträge) zu sehen. Die Tabelle "Physics Objects" zeigt, dass es zwei rekonstruierte Teilchen gibt, beide als gelbe Balken zu sehen. Es ist schwer zu unterscheiden, ob es sich um zwei Elektronen oder um zwei Photonen handelt. Genaues Hinsehen ist angesagt!
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Der Mindestwert für pT wurde auf 5 GeV gesetzt, dadurch verschwinden die meisten Spuren. Die einzige übrige Spur zeigt nicht zu den gelben Balken. Die Energieeinträge in den Kalorimetern könnten also von zwei Photonen stammen.
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In der stark vergrößerten Seitenansicht sind die einzelnen Einträge im elektromagnetischen Kalorimeter gut sichtbar (nach unten und schräg rechts oben). Aber in der Spurkammer sind keine Spuren, die dorthin deuten. Es handelt sich also wirklich um zwei Photonen.
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Woran erkennt man ein Neutrino? Neutrinos wechselwirken mit keiner einzigen Komponente des ATLAS-Detektors, weder im Spurdetektor, noch mit den Kalorimetern oder den Myonkammern. Wie kann man also etwas nachweisen, das man nicht sieht? Da sich vor der Proton-Proton-Kollision alle Quarks und Gluonen in den Protonen entlang der Strahlachse bewegen, sind alle ihre Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zum Strahl und damit auch der sogenannte transversale Gesamtimpuls Null. Aus der Impulserhaltung folgt, dass der transversale Gesamtimpuls, also die vektorielle Summe der transversalen Impulse aller entstandenen Teilchen, nach der Kollision ebenfalls 0 sein muss. Wenn die Messung dem widerspricht, müssen in der Kollision für den Detektor unsichtbare Teilchen entstanden sein, z.B. ein oder mehrere Neutrinos, die genau diesen fehlenden transversalen Impuls besitzen.
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Im ATLAS-Detektor wird der fehlende transversale Impuls über die im Kalorimter deponierte Energie bestimmt. Gibt es ein Ungleichgewicht in dieser Energieverteilung - fehlende transversale Energie (Missing ET) genannt - deutet das auf ein in der Kollision entstandenes Neutrino hin. In HYPATIA wird dies auf zwei Arten veranschaulicht: 1. Durch den Missing ET-Wert im grau umrandeten Kasten der rechten oberen Ereignisansicht und 2. durch die gestrichelte rote Linie in der Querschnittsansicht. Diese Linie verdeutlicht zum einen die Richtung des Energieungleichgewichts, zum anderen ist ihre Breite ein Maß für den Wert der fehlenden transversalen Energie.
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In diesem Ereignis sind fast ausschließlich ein Elektron und ein Neutrino entstanden. Da quasi nur diese beiden Teilchen erzeugt wurden, teilt sich wegen der Impulserhaltung der transversale Gesamtimpuls auf diese beiden Teilchen auf. Deshalb fliegt das Neutrino mit seinem Anteil am transversalen Impuls nahezu entgegengesetzt zur transversalen Richtung des Elektrons weg. Die zugehörige fehlende Energie wird im Ereignisbild bestimmt und in Richtung seines transversalen Impulses eingezeichnet. Eine dicke rote gestrichelte Linie verdeutlicht also stets das Vorhandensein einer oder mehrerer unsichtbarer Teilchen, wie z.B. Neutrinos. Kleinere fehlende transversale Impulse von bis zu 10-20 GeV (dünne rote gestrichelte Linie) können aber auch durch Messungenauigkeiten des Detektors entstehen.
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In diesem Ereignisbild sind sogenannte Jets dargestellt. Jeder einzelne Jet besteht aus einem Bündel von mehreren Teilchenspuren, die am Kollisionspunkt entspringen und zu Kalorimetereinträgen - insbesondere auch im hadronischen Kalorimeter - führen. Jeder Jet ist das Resultat von einem Gluon, Quark oder Antiquark, die bei der Kollision aus dem Proton geschleudert werden. Dabei sind große Energiemengen zur Überwindung der riesigen Bindungskräfte im Spiel. Aus einem Teil dieser Energie entstehen neue Quark-Antiquark-Paare, die in annäherend der gleichen Richtung fliegen, und sich miteinander zu neuen Teilchen, sogenannten Hadronen, binden - diese Hadronen erzeugen die dargestellten Jets, hier zur Verdeutlichung grau unterlegt.
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Merke: Sich auffächernde Spuren mit zugehörigen Kalorimetereinträgen im elektromagnetischen und im hadronischen Kalorimeter sind auf Quarks, Antiquarks oder Gluonen zurückzuführen und werden Jet genannt.
