Keuzecollege Hoge EnergieFysica Katholieke Universiteit ... - EHEF

APPENDIX A
Detectoren in de Experimentele
Hoge Energiefysica
In dit hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van belangrijke detectietechnieken die worden gebruikt
in de moderne Hoge Energiefysica.
A.1 Interacties van deeltjes met materie
Voor deeltjesdetectie zijn twee interacties relevant: electro-magnetische interacties en kernkracht
interacties. Interacties tengevolge van de zwakke wisselwerking en tengevolge van gravitatie zijn in
de praktijk totaal te verwaarlozen.
A.1.1 Electro-magnetische interacties: dE/dx
De electro-magnetische interactie zorgt in de eerste plaats voor energieverlies als een geladen deeltje
door materie gaat door herhaalde electro-magnetische verstrooiing van het deeltje aan de electronen
en kernen in het materiaal. In materiaal met veel protonen in de kern wordt de dominante bijdrage
door electro-magnetische interacties met de kern gegeven. De formule voor het energieverlies van
een deeltje in materie wordt gegeven door:
dE
–------
Kz 2Z dx Ā - ---- 1 1
β 2 2 -- 2m e
c 2 β 2 γ 2 T max
ln-------------------------------------
– β 2 δ
=
– --
2
I 2
. (A.1)
In deze formule is K = 4πN A
r e
m e
c 2 = 0.307075 MeV mol cm, een constante, Z en A zijn het
atoomnummer en atoomgewicht, β is de snelheid van het deeltje in het materiaal in eenheden van
lichtsnelheid, γ is de Lorentzcontractiefactor die bij deze snelheid hoort,
2m e
c 2 β 2 γ 2
T max = ---------------------------------------------------------------- met de massa van het deeltje (als die groot is
1 + ( 2γm e
) ⁄ M + ( m e
⁄ M) 2 ≈ 2m e
c 2 β 2 γ 2 M
ten opzichte van de electronmassa m e dan geldt de laatste benadering), I ≈ 10 ± 1 eV is de gemiddelde
excitatieenergie (waarbij de numerieke benadering goed is voor elementen zwaarder dan
zuurstof), en δ is een (kleine) correctiefactor die afhangt van de dichtheid van het materiaal.
In Figuur A.1 is het energieverlies van pionen in koper afgebeeld. Voor laagenergetische deeltjes is
het energieverlies heel groot door de factor 1 ⁄ β 2 . Voor hoogenergetische deeltjes neemt het energieverlies
langzaam toe tot een eindige constante waarde. Dit wordt het relativistisch plateau
genoemd. Ertussen in heeft het energieverlies een minimum. Deeltjes met een snelheid ( β ) die dit
minimum geeft worden minimum ioniserende deeltjes genoemd (afgekort in het Engels: MIP (Minimum
Ionising Particle)).
Collegedictaat Hoge Energiefysica 123