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17.01.11 · 08:15 Uhr

Teilchen beobachten: Was Teilchen in Materie anrichten

Kategorie: Naturwissenschaften  ·  Kommentare: 1

Ob in einem Riesenexperiment wie dem ATLAS-Detektor am LHC, ob in einem Geigerzähler, ob in einem PET-Scanner oder in einem Experiment das kosmische Strahlung beobachtet: Die Hauptaufgabe des Detektors ist immer, eintreffende Teilchen zu vermessen. Hauptsächlich ist man an Richtung, Geschwindigkeit und Energie interessiert. Letztendlich macht sich jeder Detektor einen oder mehrere der Sachen zunutze, die Teilchen so anstellen wenn sie auf Materie treffen. Hier eine kleine Übersicht über die wichtigsten Effekte:

Egal was die Teilchen so anstellen, es ist immer eine Wechselwirkung mit der Materie, und da wiederum sind nur zwei Interaktionen so richtig interessant (lassen wir mal Neutrino-Detektion außen vor): die elektromagnetische Kraft und die Starke Kraft.
Allgemein bekannt ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Voraussetzung dafür, dass ein Teilchen in den Club der Elektromagnetischen aufgenommen wird, ist eine elektrische Ladung, plus oder minus, egal. Dann darf das Teilchen mitspielen - denn die Kraft wird quasi dadurch vermittelt, dass die Teilchen Ball spielen mit Photonen. Man sagt, die Photonen sind die Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung; und da Photonen keine invariante Masse (Ruhemasse) haben, ist ihre Reichweite unendlich.
Die Starke Kraft im Vergleich dazu wird durch Gluonen vermittelt. Auch der Starke Club hat eine Aufnahmebedingung: Eine Farbladung. Quarks sind Träger der Farbladung, und die Teilchen die aus Quarks zusammengesetzt sind (Hadronen), dürfen daher ebenfalls mit Gluonen spielen. Elektronen hingegen (und ihre Verwandten in der Klasse der Leptonen), haben keine Farbladung und interagieren nicht stark. "Farbladung" ist hier nur ein anschauliches, griffiges Wort um mit dieser Eigenschaft umgehen zu können, und hat nichts mit physikalischer Farbe zu tun.

Elektromagnetische Spielchen

So wie die elektromagnetische Kraft diejenige ist, die Elektronen und Protonen zu Atomen verschweißt, sind es die Interaktionen von geladenen Teilchen (oder von Photonen) und Atom(teil)en, die verschiedene Spielarten von elektromagnetischen Effekten bilden.
Eine einfache Art ist die Anregung von Elektronen in Atomen. Ein elektrisch geladenes Teilchen kann in Vorbeiflug einem Elektron quasi einen Photonenball mit ein bisschen Energie zuwerfen, die dieses aufsaugt und sich so auf eine höhere Bahn begibt. Automatisch wird es nach einiger Zeit Heimweh bekommen und auf die tiefere Bahn fallen. Auf der tieferen Bahn hat es weniger Energie, und der Unterschied in den Energien der Bahnen wird als Photon abgeben.
Eventuell kann in einem solchen Prozess ein Elektron nicht nur angeregt werden, sondern soviel Energie zugeworfen bekommen dass es sich ganz von der Anziehung des Atomkerns befreien und losfliegen kann. Dann spricht man von Ionisation. Das freie Elektron hat seinerseits dann noch etwas Schwung übrig, nämlich die Differenz zwischen zugeworfener Energie und der Energiemenge die zur Befreiung notwendig war. Manchmal ist diese so groß, dass es dann noch weitere Elektronen befreien kann, oder andere der hier genannten Effekte auslöst. Man wird also häufig ganze Kaskaden von Effekten bekommen.

Wenn das Teilchen ganz besonders schnell unterwegs ist und in ein Medium trifft, in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes niedriger ist als seine Bewegungsgeschwindigkeit. Dann tritt ein Effekt ein, wie der Schallkegel eines Überschallflugzeuges, der Tscherenkov-Strahlung genannt wird. Dieses Licht kann man detektieren, wie z.B. im obigen Bild. Die Menge und Richtung des Lichtes (bzw. der Winkel des Kegels) hängen dabei von der Geschwindigkeit ab, man kann diese also zurückrechnen.
Ein anderer Effekt tritt an der Grenze zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften auf, den man Übergangsstrahlung nennt. Dort wo Licht gebrochen würde, sendet ein geladenes Teilchen Licht aus.
Eng verwandt damit und wesentlich häufiger anzutreffen ist die Strahlung, die auch auf englisch als Bremsstrahlung bezeichnet wird. Wenn ein geladenes Teilchen (z.B. Elektron) nahe an einem Atom vorbeifliegt, wird es mit dem elektrischen Feld des Atomkerns spielen und mehr oder weniger stark abgelenkt werden. Dies äußert sich daran, dass es ein wenig Energie verliert, die als Photon weggetragen wird. Die Ablenkung wird außerdem stärker sein (und somit die weggetragenen Photonen energetischer), wenn das Elektron seinerseits energetischer ist.

Photonen können auch verschiedene Dinge anstellen. Energetische Photonen verlieren in inelastischen Stößen an Atomen einen Teil ihrer Energie in der Compton-Streuung. Immer können Elektron Photonen - wenn die Energien passen - sich ganz opfern und Elektronen in Atomen anregen oder das Atom ionisieren, wie oben beschrieben. Und für den Preis von 1022 keV kann ein Photon ein Paar erzeugen, nämlich ein Elektron und ein Anti-Elektorn (Positron). Auch die relative Stärke all dieser Effekte hängt von der Energie ab (=> was einen Weg bietet diese zu ermitteln) und mehr noch, die Effekte zur Freisetzung und Bildung von Elektronen und Photonen können sich ansammeln und ganze Kaskaden dieser Teilchen bilden, die elektromagnetischen Schauer:

Starke Schauer

Offenbar sind die vorigen Methoden besonders bei Elektronen beliebt, und um Protonen und Neutronen zu detektieren ist es schlauer, auf Interaktionen durch die Starke Kraft zu setzen. Schließlich darf das Elektron dort nicht mitspielen, und so kann man die Teilchenarten auseinander halten.
Hier setzt man vor allem auf ein Ereignis vergleichbar zum elektromagnetischen Schauer, allerdings hier eben durch die Starke Kraft vermittelt. Da hier Kaskaden von Hadronen entstehen, spricht man von hadronischen Schauern.
Die Anzahl der Teilchen die produziert werden und somit auch die Länge der Schauer, hängt von der Anfangsenergie ab - umgedreht kann man also die Energie aus diesen Parametern bestimmen. Die Strecken auf denen etwas passiert sind aber deutlich länger, und so sind hadronische Detektoren deutlich größer.

Wie man aber auf der Grundlage all dieser Effekte Detektoren baut, das sind Geschichten für andere Tage...

 

Autor: Jörg· 1 Kommentar· Permalink· Trackback-URL

Tags: atlas· bremsstrahlung· cerenkov-effekt· cern· compton-streuung· detektoren· elektromagnetismus· elektronen· geigerzähler· hadronen· ionisation· kaskaden· lhc· photonen· schauer· starke kraft· streuung· teilchen detektieren· teilchenbeschleuniger· teilchenphysik