Experimente

Je nach Art der Erzeugung von Teilchen benötigt man symmetrische oder gerichtete Detektoren. Man unterscheidet hierbei zwischen Fixed-Target-Detektoren und solchen an Collidern:

• Läßt man die Teilchen in Fixed-Target-Detektoren mit Materie kollidieren, erhält man eine sehr hohe Reaktionsrate, allerdings bei kleinerer Schwerpunktsenergie, da hier die Energie der ruhenden Target-Teilchen bei weitem kleiner ist als die der beschleunigten Teilchen.
• Läßt man aber beschleunigte Teilchen mit ihren Antiteilchen kollidieren, so steht am Wechselwirkungspunkt die volle Energie beider Teilchen als Schwerpunktsenergie zur Verfügung. Hier allerdings ergeben sich, wie bei allen Collider-Experimenten, geringe Reaktionsraten, da die Dichte der Teilchenpakete relativ gering ist.
• In Abwandlung dieser Methode kann man hochenergetische Teilchen einer Sorte mit solchen einer anderen zur Kollision bringen, z. B. beschleunigte Elektronen mit beschleunigten Protonen zur Kollision bringen. Diese Methode wird z. Zt. erstmals beim DESY angewandt.

In diesen Reaktionen werder entweder die ursprünglichen Teilchen aneinander gestreut oder es entstehen neue Teilchen. Aufgabe des Detektors ist es nun, die entstehenden Teilchen zu trennen und ihre Energien, Impulse und Flugrichtungen zu messen.

Die Prinzipien des Teilchennachweises sind jedoch gleich. Wir wollen hier nur den Nachweis geladener Teilchen betrachten, da diese einfacher nachzuweisen sind und den Großteil der interessanten kleinen Teilchen ausmachen.

Grundsätzlich wird dabei ausgenutzt, daß geladene Teilchen in einem Medium eine Ionisationsspur hinterlassen. Die durch Ionisation erzeugten Teilchen (positive Ionen und Elektronen) kann man elektronisch nachweisen und als Pulse weiterverarbeiten. Daraus kann man auf die Energie des Teilchens und auf seinen Ort schließen.

Um auf den Impuls eines Teilchens schließen zu können, leitet man es durch ein definiertes Magnetfeld. Aus der Krümmung einer Spur kann man auf den Impuls schließen, wenn man die Ladung des Teilchens kennt (Das gleiche Verfahren wird zur ^e/_m-Bestimmung im Fadenstrahlrohr angewandt, mit der Besonderheit, daß dort die Energie des Teilchens bekannt ist.):

Das Magnetfeld zeigt hier aus der Bildschirmebene hinaus, blaue Spuren repräsentieren negativ geladene Teilchen, rote Spuren positiv geladene. Spuren von Teilchen mit größerem Impuls sind weniger stark gekrümmt (haben einen größeren Krümmungsradius) als diejenigen mit niedrigerem Impuls.

Die Energie des Teilchens kann man mit s. g. Kalorimetern bestimmen. Diese bestehen aus abwechselnd einem dichten Material und einer Lage Nachweisgeräte. Aus der im Paket hinterlassenen Ladung kann man die Energie errechnen. Diese sind proportional zueinander.

Prinzipiell besteht ein Detektor aus der Abfolge verschiedener Sub-Detektoren. Begonnen wird mit einem hochauflösenden "Spurdetektor", der die Teilchenspur registriert, ohne dem Teilchen viel Materie entgegenzusetzen und es so zu stoppen. Anschließend folgen ein oder mehrere "Kalorimeter". In einem Kalorimeter wechselt man dichtes Material (Eisen, Blei) mit Lagen von Nachweisgeräten ab. Die Teilchen geben dort durch Wechselwirkung mit dem Detektormaterial Energie ab. Durch die Messung der Eindringtiefe in dieses Paket kann die Energie bestimmt werden. Zuletzt muß man noch diejenigen Teilchen registrieren, die im letzten Kalorimeter nicht gestoppt wurden. Diese werden mittels "Zählkammern" nur gezählt.
Im folgenden ein Signaturen "stabiler" Teilchen in einem Detektor:

Zerfällt ein neutrales Teilchen in zwei geladene Produkte, so ergibt sich folgendes Bild:

Hier können wir die in der Relativitätstheorie hergeleitete Formel für die s. g. "invariante Masse", die Ruhemasse, des ursprünglichen Teilchens anwenden.

Wir wollen uns nun den Aufbau eines Detektors an einem Speicherring genauer ansehen.