Versuche zur Kern- und Teilchenphysik im F-Praktikum - Prof. A. Straessner, IKTP TU Dresden, Oktober 2020 - TU ...

Bereich Mat/Nat   Fakultät Physik   Institut für Kern- und Teilchenphysik

      Versuche zur
Kern- und Teilchenphysik
    im F-Praktikum

                                       Prof. A. Straessner, IKTP TU Dresden, Oktober 2020

Institut für Kern- und Teilchenphysik
               „… erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“
• Untersuchung bekannter Teilchen und Wechselwirkungen:
  → äußerst seltene Prozesse

• Suche nach neuen Teilchen und Wechselwirkungen

• Technische Anwendungen

• Experimentelle Methoden:
         • Detektoren an Teilchenbeschleunigern: Large Hadron Collider
         • Teilchenphysik und Kosmologie mit kernphysikalischen Methoden ohne
           Beschleuniger
• Entwicklung neuer theoretischer Konzepte und Modelle
• Anwendungen der Teilchenphysik in der Medizin:
         • Strahlungsphysik, Physik mit Teilchenstrahlen

Institut für Kern- und Teilchenphysik
                „… erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“

  ATLAS-Detektor             Experimentelle Teilchenphysik
                      Gruppenleiter: Prof. M. Kobel, Prof. A. Straessner, Dr. F. Siegert

                           Large Hadron Collider

                                                                          H/A→τ+τ-
    LAr-Kalorimeter

• Auswertung von Daten des ATLAS-Detektors am LHC:
     • Präzisionsmessung von Standardmodellprozessen
     • Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells
     • 15 mal mehr Daten als bei der Entdeckung des Higgsbosons und doppelte
       Schwerpunktsenergie
• Entwicklung von Ausleseelektronik für Teilchendetektoren
• Datenanalyse und Detektorentwicklung mit fortgeschrittenen
  statistischen Methoden, Machine Learning, ...

• Entwicklung von Teilchendetektoren und Anwendungen                   Detektoren für Teilchen- und
  in der Medizinphysik                                                 Medizinphysik

Institut für Kern- und Teilchenphysik
                „… erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“

          Neutrinophysik und Experimentelle Kernphysik
                                                        Gruppenleiter: Prof. K. Zuber
• speziell: der neutrinolose doppelte Betazerfall: (A,Z)  (A,Z+2) + 2 e-
• Teilchenphysik mit kernphysikalischen Methoden

  Ge               CdZnTe

                                     • Messung von Halbwertszeiten im Bereich von
                                       1026 Jahren!
                                     • Der seltenste von Menschen gefundene Zerfall

                                                            SNO+
  GERDA COBRA                                          Flüssig-Szintillator

    Italienisches Gran Sasso                     SNOLAB: 2000 m unter Tage
    Untergrundlabor                              in kanadischer Mine

Institut für Kern- und Teilchenphysik
               „… erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“

               Theoretische Elementarteilchenphysik
                                                        Gruppenleiter: Prof. D. Stöckinger
Grundlegende Fragen:
• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte?
• Woraus besteht dunkle Materie im Universum?
• Grundlagen der Quantenfeldtheorie

                       Phänomenologie der Elementarteilchen:
                       • Supersymmetrie
                       • Theoretische Interpretation von experimentellen Daten (LHC,
                         g-2 des Myons, ...)

                                                  Beispiel:
                                                  • Leichtestes SUSY Teilchen ist stabil =
                                                     Dunkle Materie (ca 3000 Teilchen/m3) ?
                                                  • Direkte Entdeckung möglich bei LHC

Institut für Kern- und Teilchenphysik
                     „… erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“

Dosisleistungssonde für invivo-Messungen             STRAHLUNGSPHYSIK
                                                     Gruppenleiter: Dr. Thomas Kormoll

                                               Forschungsschwerpunkte der
                                               Strahlungsphysik:

                                               • Festkörperdosimetrie mit Optisch Stimulierter
                                                 Lumineszenz (OSL)
Entwicklung von Detektoren für Dosimetrie in
konstanten und gepulsten Strahlungsfeldern,
auch für medizinische Anwendungen              • Entwicklung von Sensoren für Medizin,
                                                 Strahlenbiologie und Radiometrie

                                               • Nachweiseigenschaften von
                                                 Festkörperspurdetektoren

                                               • Entwicklung und Anwendung von Monte-Carlo-
                                                 Methoden zur Berechnungen von
                                                 Strahlungsfeldern, in der numerischen
                                                 Dosimetrie und Mikrodosimetrie

Institut für Kern- und Teilchenphysik
                     „… erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“

Aktivitäten des Instituts und der Gruppen am HZDR in Rossendorf
• Laser-Beschleunigung von Teilchenstrahlen (Prof. T. Cowan, Prof. U. Schramm)
• Nukleare Astrophysik (Dr. D. Bemmerer)
• Medizinische Anwendung von Teilchenstrahlen und Dosimetrie
Big bang -   Entstehung der Elemente - Supernovae
                                                        Laser-Teilchenbeschleunigung

                                                        Anwendungen in Medizin und
                                                        Grundlagenforschung

Nukleare Astrophysik: Messung
kernphysikalischer Reaktionen im Labor

Institut für Kern- und Teilchenphysik
„… erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“

 iktp.tu-dresden.de
  https://tu-dresden.de/mn/physik/iktp

                                            Vorstellung der
                                            Forschungsgruppen

Institut für Kern- und Teilchenphysik
„… erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“

 iktp.tu-dresden.de
  https://tu-dresden.de/mn/physik/iktp

                                    Telefon- und Büronummern
                                    der Betreuer

Fakultät Mat/Nat   Fachrichtung Physik   Institut für Kern- und Teilchenphysik

        Versuche im F-Praktikum
    •   Compton-Streuung (CS)
    •   Lebensdauer von Myonen (LM)
    •   Betazerfall (BE)
    •   [Gammaspektrometrie (GA)]
    •   Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
    •   Wechselwirkung thermischer Neutronen (TR)
    •   Reaktor (RE)
    •   Gaslaser (GL)

Compton-Streuung (CS)                                     (Juliane Volkmer)

Teilchenphysik – Detektorphysik – Medizinphysik

Wesentliche Inhalte:
• Messung des differentiellen Wirkungsquerschnittes für
  die Streuung von Photonen an quasifreien Elektronen
• Überprüfung der Theorie der Compton-Streuung
    • Streuung Fermion + Boson → Fermion + Boson
    • Standardprozess der Teilchenphysik
• Photonennachweis mit einem HPGe-Detektor
• Energiekalibrierung eines Photonendetektors
• Statistische Datenauswertung

Lebensdauer von Myonen (LM)
                                                            (Nick Fritzsche)

Teilchenphysik – Detektorphysik – Festkörperphysik

Wesentliche Inhalte:
• Entstehung und Nachweis kosmischer Strahlung
• Szintillationsdetektoren zum Nachweis ionisierender
  Strahlung
• Zeitaufgelöste Koinzidenzmesstechnik
• Teilchenzerfall, radioaktives Zerfallsgesetz, spezielle
  Relativitätstheorie

Betazerfall (BE)
                                                            (Christian Wiel)
Kernphysik – Detektorphysik – Medizinphysik – Teilchenphysik
Wesentliche Inhalte:
• Kernumwandlung durch β-Zerfall
• Energiespektrum der Elektronen, Grenzenergie
• Innere Konversion und Comptonelektronen
• Wechselwirkung von β-Strahlung mit Materie
• Energieverlust und Absorption
                                                    Messung mit
                                                    Si-Halbleiter-Detektor

Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
                                                      (Elena Metzner)
Detektorphysik – Medizinphysik – Teilchenphysik

Wesentliche Inhalte:
• Kalibrierungsmessungen am Detektorsystem
• Aktivitätsbestimmung
• Photon-Koinzidenzmessungen von e+e- →γγ
• tomografische Rekonstruktion
• tomografische Messungen an Phantomen
• Theorie der DV und Tomografie, Bildrekonstruktion

Wechselwirkung thermischer Neutronen (TR)
                                                           (Jan-Eric Nitschke)
Kernphysik – Detektorphysik – Medizinphysik – Festkörperphysik

Wesentliche Inhalte:
• Bestimmung totaler Wirkungsquerschnitte für die
  Wechselwirkung thermischer Neutronen mit den
  Atomkernen: H, C, Al, Fe
• Erzeugung und Nachweis thermischer Neutronen
• Messung von Transmissionskoeffizienten            Cd zur
                                                    Abschirmung thermischer
• Wechselwirkungsquerschnitte                       Neutronen

Reaktor (RE)
                                                        (Carsten Lange, Pauer-Bau)
Kernphysik – Detektorphysik – Medizinphysik – Festkörperphysik

Wesentliche Inhalte:
• Kennenlernen einer kerntechnischen Anlage
• Erfassung des typischen Steuerverhaltens
   eines Kernreaktors am Beispiel des Nullleistungsreaktors
• Messung von charakteristischen Größen an einem Reaktor
  (“Forschungsreaktor”)
• Ermittlung der Reaktivitätskennwerte der Steuerstäbe des
  Reaktors durch Kalibrierung

Gaslaser (GL)
                                                              (Tim Ziegler, HZDR)
Medizinphysik – Lasertechnik – Beschleunigerphysik

Wesentliche Inhalte:

• Grundeigenschaften eines Lasers

• Eigenschaften von Hohlraum-
  Resonatoren

• Präzisionsinterferometrie

                                    HeNe-Laser im Praktikum