Versuche zur Kern- und Teilchenphysik im F-Praktikum - Dr. Frank Siegert, IKTP TU Dresden, Oktober 2022

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

      Versuche zur
Kern- und Teilchenphysik
    im F-Praktikum

                                          Dr. Frank Siegert, IKTP TU Dresden, Oktober 2022

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 mit und
           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. A. Straessner, Dr. F. Siegert (Prof. M. Kobel)

                           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
     • LHC läuft 2022 wieder an mit höchster Scherpunktsenergie
       (fast 14 TeV) und doppelter Design-Luminosität
• Entwicklung von Ausleseelektronik für Teilchendetektoren
• Datenanalyse und Detektorentwicklung mit fortgeschrittenen
  statistischen Methoden, Machine Learning, ...

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
                       Beispiel:
                       • Leichtestes SUSY Teilchen ist stabil = Dunkle Materie (ca 3000 Teilchen/m3) ?
                       • Direkte Entdeckung möglich bei LHC? Hinweise von g-2 des Myons?

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

STRAHLUNGSPHYSIK                     Gruppenleiter: Dr. Thomas Kormoll

                 Forschungsschwerpunkte der Strahlungsphysik:

                 • neue Dosimetrieverfahren für die
                   Qualitätssicherung in der Strahlentherapie
                 • Sondensystemen zum Einsatz an nuklearem Abfall
                 • tragbare Dosisleistungsmessgeräte für den
                   Strahlenschutz in gepulsten Strahlungsfeldern
                 • kompakte Sonden für die Beprobung von
                   Betonkörpern im Rückbau von Kernkraftwerken

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)
• Beschleunigermassenspektrometrie (AMS) (Prof. A. Wallner)
• Nukleare Astrophysik (Dr. D. Bemmerer)
• Medizinische Anwendung von Teilchenstrahlen und Dosimetrie
Big bang -   Entstehung der Elemente - Supernovae      Laser-Teilchenbeschleunigung

                                                       Anwendungen in Medizin und
Nukleare Astrophysik: Messung                          Grundlagenforschung
kernphysikalischer Reaktionen im Labor

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

        Versuche im F-Praktikum

    •   Aktivitätsbestimmung radioaktiver Proben (AK)
    •   Compton-Streuung (CS)
    •   Lebensdauer von Myonen (LM)
    •   Reaktor (RE)
    •   Wechselwirkung thermischer Neutronen (TR)
    •   Gaslaser (GL)

Aktivitätsbestimmung radioaktiver Proben (AK)
                                                            (Marie Piechotta)
Detektorphysik – Medizinphysik – Strahlenschutz

Wesentliche Inhalte:
• Grundlagen quantitativer Dosimetrie
• Energiekalibrierung eines HP-Ge-Detektors
• Ansprechvermögen des Detektors
• Quantitative Bestimmung d. Radioaktivität
  von Umweltproben
• Bestimmung spezifischer Aktivitäten in
  Umweltproben
• Erarbeitung von Korrekturen zur Ableitung
  quantitativer Aussagen

nicht für Bachelor/Physik, die bereits AK im GPIII hatten

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)
                                                            (Johann Voigt)

Teilchenphysik – Detektorphysik – Festkörperphysik

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

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

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

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

                                                       Cd zur Abschirmung
                                                       thermischer Neutronen

Gaslaser (GL)
                                                          (Elias Umland, HZDR)
Medizinphysik – Lasertechnik – Beschleunigerphysik

Wesentliche Inhalte:

• Grundeigenschaften eines Lasers

• Eigenschaften von Hohlraum-
  Resonatoren

• Präzisionsinterferometrie

                                    HeNe-Laser im Praktikum

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/innen

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

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

        Versuche im F-Praktikum
    •   Aktivitätsbestimmung radioaktiver Proben (AK)
    •   Beta-Umwandlung (BE)
    •   Compton-Streuung (CS)
    •   Gammaspektrometrie (GA)
    •   Lebensdauer von Myonen (LM)
    •   Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
    •   Reaktor (RE)
    •   Wechselwirkung thermischer Neutronen (TR)
    •   Gaslaser (GL)

Beta-Umwandlung (BE)
                                                                     (NN)
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

Gammaspektrometrie (GA)
                                                              (NN)

Kernphysik – Detektorphysik – Teilchenphysik– Medizinphysik

Wesentliche Inhalte:
• Nachweis von γ-Strahlung (Photonen)
• Wechselwirkung von γ-Strahlung mit Materie
• Photoeffekt und Comptonstreuung
• Kristall- und Halbleiterdetektoren
• Auflösungsfunktion von Detektoren
• Interpretation der Spektren unbekannter
  Proben

Positronen-Emissions-Tomografie (PET)
                                                      (NN)
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