Detektoren - Die "Experimente" der Elementarteilchenphysik

Rund um die Bereiche eines Teilchenbeschleunigers, in denen die Teilchen zur Kollision gebracht werden, befinden sich große Detektorsysteme, von den Physikern "Experimente" genannt. Im prinzipiellen Aufbau sehen sich die meisten dieser Experimente sehr ähnlich und bestehen aus verschiedenen Teilchendetektoren, die in Schichten um den Wechselwirkungspunkt angeordnet sind, wie das folgende Bild verdeutlichen soll.

Das Bild zeigt einen Ausschnitt des Querschnitts des CMS Detektors am LHC Beschleuniger des CERN. Der Wechselwirkungspunkt, an dem die Teilchenkollisionen stattfinden, befindet sich links. Dort entstehen aus der Kollisionsenergie weitere Teilchen, die, vom Wechselwirkungspunkt wegfliegend, die unterschiedlichen Detektoren des Experiments durchdringen.

Spurdetektor

Der innerste Teil eines Experimentes ist der Spurdetektor. Er besteht meistens aus Silizium-Detektoren (Bild links) oder gasgefüllten Drahtkammern und befindet sich in einer Spule, die ein Magnetfeld erzeugt. Seine Aufgabe ist die präzise Vermessung der Teilchenspuren, die den Wechselwirkungspunkt verlassen. Da geladene Teilchen im Magnetfeld gekrümmte Spuren erzeugen, kann man aufgrund der Krümmung der Spur auf den Impuls der Teilchen Rückschlüsse ziehen, was wiederum auf die Masse des Teilchens schließen lässt.

 

 

 

 

 

Kalorimeter

 

Um die Energie von Elementarteilchen messen zu können, verwendet man Kalorimeter. Um dies zu erreichen, muss das Teilchen vollständig in der Materie des Detektors absorbiert werden. Ein einfallendes Teilchen initiiert innerhalb des Kalorimeters einen Teilchenschauer aus Sekundärteilchen und gibt so sukzessive seine ganze Energie an diesen Schauer ab, welche in vielerlei Form deponiert werden kann, wie z.B. Wärme, Ionisation oder Anregung von Atomen. Je nach Art des Kalorimeters wird eines dieser Signale gemessen und zur Energiebestimmung verwendet.

Der Name Kalorimeter kommt von Kalorie, einer alten Maßeinheit der Energie.

Myonendetektoren

Myonen sind Elementarteilchen, die normalerweise nicht in den Kalorimetern absorbiert werden und daher auch außerhalb dieser Detektoren vermessen werden können. Da diese Detektoren große Flächen abdecken müssen, die Präzision aber nicht mehr so hoch sein muss wie im Spurdetektor im Inneren des Experiments, werden oft gasgefüllte Draht- oder Driftkammern verwendet. In diesen Detektoren wird beim Durchgang eines Myons Gas ionisiert. Die Drähte, an die Hochspannung gelegt wird, sind im Gasvolumen gespannt. Die durch die Ionisation entstehenden Elektronen und Ionen werden durch die den Drähten angeschlossene Elektronik detektiert.