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Aufbau des HADES-Experiments

HADES besteht aus sechs gleichen, im Kreis angeordneten Detektorsystemen. Diese Anordnung erlaubt es, einen großen Teil der Teilchen aufzuspüren, die bei einem Zusammenstoß im Target entstehen. Insgesamt besteht das HADES-Experiment aus über 82.000 Einzeldetektoren. Während einer laufenden Messung produziert HADES eine Datenmenge von bis zu 400 MB in der Sekunde. Das entspricht einem Textdokument mit 200.000 Seiten. Um gezielt mehr über den Aufbau von Neutronen und Protonen zu erfahren, suchen die Forscher in den riesigen Datenmengen nach Anzeichen für Elektron-Positron-Paare.

Target und Startdetektoren

Foto: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Target: Auf diese Goldfolien prallen die beschleunigten Ionen.

Ganz am Anfang des Detektors befindet sich das Target. Im Linearbeschleuniger UNILAC und im Ringschleuniger SIS werden Ionen auf etwa 90 Prozent Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Im Target werden 15 Metallfolien hintereinander gespannt – die beschleunigten Ionen treffen hier auf andere Atome und es kommt beim Aufprall (im Idealfall) zu einer kurzfristigen Überlappung der Nukleonenhüllen.
Um die Geschwindigkeit der entstanden Teilchen zu messen, liefert der Startdetektor ein Signal für jedes Strahlteilchen, das durch das Target fliegt. Mithilfe eines Diamantzählers hinter dem Target lassen sich die Signale noch einmal separieren, denn nicht jedes Strahlteilchen tritt mit den Atomen des Targets in Wechselwirkung und erzeugt anschließend die gewünschten Zerfallsprodukte.

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Target: Auf diese Goldfolien prallen die beschleunigten Ionen.
Foto: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

RICH-Detektor

Foto: A. Zschau, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Ring-Imaging-CHerenkov-Detektor (RICH).
Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Rückseite des RICH. Zu sehen ist die Auslese-Elektronik.

Der Ring-Imaging-CHerenkov-Detektor (kurz RICH) ist das Kernstück von HADES. Mithilfe des RICH lassen sich Elektronen und Positronen aufspüren, die beim Aufeinandertreffen von zwei Atomkernen entstehen, und aus vielen anderen Reaktionsprodukten herausfiltern. Der Detektor besteht aus einer Kammer, die mit Perfluorbutangas (C4F10) gefüllt ist. In diesem Gas fliegen die Elektronen und die Positronen schneller als das Licht und senden dabei ein besonderes Licht aus, das so genannte Tscherenkow-Licht. So lassen sich Elektronen und Positronen von anderen langsameren Teilchenarten unterscheiden.

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Ring-Imaging-CHerenkov-Detektor (RICH).
Rückseite des RICH. Zu sehen ist die Auslese-Elektronik.
Die roten Kabel sind Lichtleiter, die die digitalisierte Information über ein spezielles Netzwerk an die lokalen Auslese-Knoten weiterleiten.
Foto: A. Zschau, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Driftkammern

Foto: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
HADES-Driftkammern

Den ersten Bestandteil des Magnetspektrometers bilden die Vieldrahtdriftkammern (Multiwire Drift Chambers, kurz MDCs). Eine gasgefüllte Kammer (Helium und Butangas) ist mit vielen dünnen Anodendrähten durchzogen. Um die Drähte bildet sich ein elektrisches Feld. Fliegt ein geladenes Teilchen, dies kann ein Elektron sein, aber auch schwere Bruchstücke der Atomkerne, durch das Gas, werden einige Gasatome ionisiert. Dadurch wird ein elektrisches Signal am Anodendraht ausgelöst.

In einer Kammer (engl.: chamber) befinden sich jeweils sechs übereinander liegende, trapezförmige Module, die wiederum aus mehreren Lagen gespannter Drähte bestehen. Werden die Drähte über Kreuz angeordnet, überlagern sich mehrere Signale und geben so Auskunft, wo ein geladenes Teilchen durch die MDC geflogen ist.

Durch die sogenannte Drift-Zeit (Zeitraum von der Ionisation eines Gasatoms bis zum Auslösen des elektrischen Signals am Anodendraht) lässt sich die Flugbahn eines Teilchens bis auf Bruchteile eines Millimeters genau bestimmen. Die genaue Ortsbestimmung ist wichtig, um nachzuvollziehen, in welchen Winkeln sich die Teilchen vom Target entfernen. HADES verfügt über vier MDCs, zwei vor und zwei nach einem supraleitenden Magneten.

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HADES-Driftkammern
Driftkammern, die vom Target aus gesehen hinter dem Magneten angeordnet sind (Spurvermessung nach Ablenkung im Magnetfeld).
Foto: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Supraleitender Magnet

Foto: A. Zschau / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
HADES während des Auffbaus

Mithilfe der MDCs und eines supraleitenden Magneten, bestehend aus sechs ringförmig angeordneten Spulen (Torus), können die Impulse aller in der Reaktion entstandenen geladenen Teilchen bestimmt werden. Dies ist wichtig, um später die Teilchen zu identifizieren.

Der Magnet erzeugt ein ringförmiges Feld. Durch dieses magnetische Feld wirkt eine Kraft auf das geladene Teilchen und es kommt zu einer Richtungsänderung. Das Teilchen wird zur Seite abgelenkt und ändert seine Flugbahn. Diese Abweichung des Winkels entspricht der Impulsänderung. Sie kann erfasst werden, indem man mithilfe der MDCs die Position des Elektrons vor und nach dem Magneten bestimmt.

Um ein möglichst starkes Magnetfeld zu erzeugen, wird er auf 4,7 Kelvin (-268,3 Grad Celsius) heruntergekühlt. Die Magnetspulen haben dann keinen elektrischen Widerstand und die gesamte Energie kommt dem Magnetfeld zugute. Zur Kühlung auf 4,7 Kelvin nutzt man flüssiges Helium.

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HADES während des Auffbaus
Der Magnet war während des Aufbaus von HADES gut zu sehen.
Foto: A. Zschau / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Flugzeitwand

Foto: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Flugzeitwand

Mit dieser Vorrichtung misst man die Zeit, die Teilchen für die Strecke vom Startdetektor am Target bis zur Flugzeitwand (engl.: Time-of-flight oder TOF) benötigen. Daraus lässt sich die Geschwindigkeit ermitteln. Das Prinzip gleicht dem einer Stoppuhr: Im Startdetektor wird das Signal durch die anfliegenden Teilchen ausgelöst und die Zeit so lang gemessen, bis das Teilchen auf die TOF-Wand trifft. Elektronen benötigen typischer Weise etwa sieben Nanosekunden vom Target bis zur TOF-Wand, Protonen dagegen 15 bis 20 Nanosekunden. Zusammen mit dem Impuls, der mit den MDCs und dem Magnet gemessen wird, lassen sich die Teilchen unterscheiden und identifizieren.

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Flugzeitwand
Ein Teil der Flugzeitwand ist aus dem Experiment geschoben, um Arbeiten auszuführen.
Foto: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Pre-Shower-Detektoren

Foto: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Pre-Shower-Detektoren

Die Wissenschaftler benötigen eine fehlerfreie Unterscheidung der Elektron-Positron-Paare von anderen Teilchen. Dazu ist ein weiteres System nötig. Mithilfe der Pre-Shower-Detektoren lassen sich Elektronen und Positronen ein weiteres Mal identifizieren und eindeutig nachweisen, obwohl ihre Häufigkeit nur ein hundertstel Prozent aller in der Reaktion entstandenen Teilchen beträgt. Mehrere Lagen Detektoren und Blei sind übereinander angeordnet. Trifft ein Elektron oder ein Positron auf eine Bleischicht, zerfällt es in ein Gammateilchen und ein Elektron, das in der nächsten Bleischicht wiederum zerfällt. Dieser Schauer (engl.: shower) ist signifikant für Elektronen und Positronen. Andere Teilchen, zum Beispiel Protonen, durchfliegen das Blei und es entstehen keine derartigen Schauer.

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Pre-Shower-Detektoren
Hinter den Driftkammern sind die Pre-Shower-Detektoren aufgebaut.
Foto: G. Otto / GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung