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Das Messprinzip eines RICH-Detektors, welcher z.B. beim LHCb-Detektor eingesetzt wird,
beruht auf dem Cherenkov-Effekt, der bei überlichtschnellen,
hochenergetischen Teilchen in Materie auftritt.
Der Cherenkov-Effekt entsteht, wenn sich geladene Teilchen in
Materie (fest, flüssig oder gasförmig) mit höherer
Geschwindigkeit als der Phasengeschwindigkeit (des Lichts) in diesem
Medium bewegen. Dies ist möglich, da die Phasengeschwindigkeit
des Lichts in Materie stets kleiner als die
Vakuumlichtgeschwindigkeit c ist. So beträgt die
Lichtgeschwindigkeit in Wasser 225000 km/s im Vergleich zu 299792 km/s
im Vakuum.
Den Cherenkow-Effekt kann als Analogie zum Überschallknall
betrachtet werden, der auftritt wenn sich Flugzeuge oder andere Körper
schneller als der Schall fortbewegen.
Anmerkung: Wenn in diesem Zusammenhang von
Überlichtgeschwindigkeit die Rede ist, dann nur in Bezug zur
langsameren Phasengeschwindigkeit. Die maximale Grenzgeschwindigkeit
für alle Teilchen, kann niemals höher sein, als die
Vakuumlichtgeschwindigkeit. Die Abkürzung für die
Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum wird mit einem kleinen c
angegeben (c = lateinisch für celeritas: "Schnelligkeit"). 0.85
c bedeutet demnach 85 Prozent der Vakuumlichtgeschwindigkeit.
Wenn sich nun ein geladenes Teilchen durch ein dielektrisches
(nichtleitendes) Medium bewegt, werden die Atome längs der
Flugbahn durch dessen Ladung kurzzeitig polarisiert. Durch die
Polarisation senden diese Atome elektromagnetische Wellen aus.
Im Normalfall interferieren die Wellen benachbarter Atome jedoch
destruktiv (sie löschen sich gegenseitig aus), so dass keine
Leuchterscheinung beobachtet wird. Bewegen sich die geladenen
Teilchen jedoch schneller als das Licht in dem umgebenden Medium, so
können die Wellen benachbarter Atome sich nicht mehr
auslöschen, da sie schneller erzeugt werden als sie sich
auslöschen können. Diese elektromagnetischen Wellen werden als Cherenkow-Licht bezeichnet.
Beim LHCb-Detektor des RICH1 wird gasförmiges Perfluorbutan
(C4F10) und Aerogel (ein hochporöser Feststoff), als
cherenkov-effektives Medium eingesetzt. Dazu werden die Photonen
über einen Hohlspiegel auf einen Photonendetektor gelenkt, und
aus den detektierten Ringen werden die Cherenkov-Winkel
rekonstruiert. Der Abstrahlwinkel der Cherenkovstrahlung ist dabei
abhängig vom eingesetzten Medium. |
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