imported>Georg Hügler: Sohn von Werner Meyer-Larsen

2026-02-11T13:40:42Z

Sohn von Werner Meyer-Larsen

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[[Datei:DESY calorimeter1.jpg|mini|Sandwich-Kalorimeter, bestehend aus [[Szintillator]]-Platten und Absorbermaterial, ausgestellt am [[DESY]].]]
[[Datei:CERN-p1030774.jpg|mini|Kalorimeter des UA2-Detektors des ehemaligen [[Super Proton Synchrotron]]s, ausgestellt am [[CERN]].]]

In der [[Teilchenphysik]] versteht man unter einem '''Kalorimeter''' ein Instrument zur Messung der Gesamtenergie eines einzelnen [[Teilchen (Physik)|Teilchens]]. In teilchenphysikalischen Experimenten ist das Kalorimeter eine wesentliche Komponente des [[Teilchendetektor]]s.<ref>C. Grupen, ''Teilchendetektoren'', Spektrum Akadem. Verlag, 1993, ISBN 978-3411165711.</ref>

Im Kalorimeter werden einfallende, schnelle Teilchen vollständig gestoppt und die dabei freiwerdende [[Energie]] bestimmt. Beim Einfall hochenergetischer Teilchen in ein Kalorimeter entstehen Sekundärteilchen, die selbst solange weitere Teilchen generieren, bis die zur Verfügung stehende Energie erschöpft ist. Diese [[Kaskadeneffekt|Kaskade]] der Sekundärteilchenerzeugung bezeichnet man als [[Teilchenschauer]].
Häufig wird in einem Kalorimeter zusätzlich zur Energie auch eine (ungefähre) Ortsinformation ermittelt.

Traditionell werden Kalorimeter nach der Art der vorherrschenden [[Grundkräfte der Physik|Wechselwirkung]] unterschieden.<ref>W. R. Leo, ''Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments'', Springer-Verlag, 1987, ISBN 3-540-17386-2.</ref>

== Elektromagnetische Kalorimeter ==
Ein elektromagnetisches Kalorimeter dient der Energiebestimmung von Teilchen, die im Wesentlichen über die [[Grundkräfte#Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetische Kraft]] wechselwirken. Dies sind [[Elektron]]en und [[Positron]]en sowie Gamma-Teilchen (hochenergetische [[Photon]]en), in geringerem Maße auch [[Myon]]en.<ref name="Povh">[[Bogdan Povh|B. Povh]], K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, ''Teilchen und Kerne'', Springer-Verlag, 1997, ISBN 3-540-59438-8.</ref>

=== Elektromagnetischer Schauer ===
Besonders gut lässt sich die Wirkungsweise eines sogenannten Sandwichkalorimeters erklären, in dem Schichten von Absorber und Auslesematerial abwechselnd angeordnet werden. Im Absorber entwickelt sich eine Abfolge von Bremsstrahlungs- und Paarbildungsprozessen (jeweils proportional zur Kernladungszahl ''Z''²). Ein auf den Absorber auftreffendes Elektron strahlt ein Photon ab, das Photon bildet ein Elektron-Positron-Paar, welches wieder Photonen abstrahlt usw. Der Prozess geht in etwa so lange, bis alle Elektronen die kritische Energie ''E''k erreicht haben und dann im Wesentlichen durch Ionisation die Energie abgeben. Einen Teil dieser Ionisationsenergie misst man mit dem schichtförmig dazwischenliegendem Auslesematerial ([[Szintillator]]).

Sei ''E''0 die Energie des Primärteilchens, so ergibt sich die Anzahl der Schauerteilchen also zu:

:<math>N_\mathrm{max} = \frac{E_0}{E_\mathrm{k}}</math>

Im einfachsten Modell nimmt man an, dass sich nach einer [[Strahlungslänge]] ''χ''0 die Teilchenanzahl jeweils verdoppelt. Dann hat man am Ende des Schauers nach ''n'' Strahlungslängen <math>2^n</math> Teilchen mit der Energie ''E''k. Die Anzahl ''n'' von Strahlungslängen ist also:

:<math>2^n = \frac{E_0}{E_\mathrm{k}}</math>

:<math>n = \frac{\ln\left(\frac{E_0}{E_\mathrm{k}}\right)}{\ln(2)}</math>

Die Schauertiefe wächst also nur logarithmisch mit der Primärenergie <math>E_0</math>:

:<math>t_\mathrm{max} \propto \ln\frac{E_0}{E_\mathrm{k}}</math>

Die Längeneinheit ist dabei die Strahlungslänge ''χ''0. Da die Anzahl der Schauerteilchen ''N'' proportional zur Energie ist, der Fehler von ''N'' aber <math>\sqrt{N}</math> ist, ergibt sich:

:<math>N \propto E</math>

:<math>\sigma_E \propto \sqrt{E}</math>

:<math>\frac{\sigma_E}{E}\propto \frac{1}{\sqrt{E}}</math>

Der relative Fehler wird also mit steigender Energie kleiner. Bei magnetischen Messungen des Impulses steigt er dagegen mit der Energie an (weil die Krümmung immer geringer wird). Deshalb sind bei Energien oberhalb von etwa 10 bis 20 GeV auch bei geladenen Teilchen nur noch ''kalorimetrische'' Messungen möglich.

=== Bauarten elektromagnetischer Kalorimeter ===
* [[Bleiglas]]-Kalorimeter (z. B. im [[Compact Muon Solenoid|CMS-Detektor]] am [[Large Hadron Collider|LHC]] am [[CERN]]).<ref>Armin Meyer-Larsen: ''Konstruktion, Aufbau und Kalibration eines strahlrohrnahen Blreiwolframatkalorimeters zur Verwendung im ZEUS-Experiment.'' Dissertation [[Universität Hamburg]], 1999, [https://cds.cern.ch/record/420941/files/cer-002168654.pdf Interner Bericht der Universität Hamburg] (PDF; 3,24 MB), abgerufen am 12. Juni 2013.</ref>
* Flüssig-[[Edelgas]]-Kalorimeter (z. B. im [[ATLAS (Detektor)|ATLAS-Detektor]] am [[Large Hadron Collider|LHC]] am [[CERN]]).<ref>D. Schroff, ''Studie zur elektronischen Kalibration der Flüssig-Argon-Kalorimeter und zur Entdeckung unsichtbar zerfallender Higgs-Bosonen im ATLAS-Experiment'', Dissertation der [[Albert-Ludwigs-Universität Freiburg]], 2004, [https://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1391/pdf/Arbeit.pdf Interner Bericht der Universität Freiburg] (PDF; 3,57 MB), abgerufen am 12. Juni 2013.</ref>
* [[Halbleiter]]-Kalorimeter (z. B. im [[Laboratori Nazionali del Gran Sasso#GERDA|GERmanium Detector Array (GERDA)]] im [[Heidelberg-Moskau-Experiment]] im [[Laboratori Nazionali del Gran Sasso]]).<ref>G. Lutz, ''Semiconductor Radiation Detectors'', Springer, 1999, ISBN 978-3540716785.</ref><ref name="Wunstorf">R. Wunstorf: ''Systematische Untersuchungen zur Strahlenresistenz von Silizium-Detektoren für die Verwendung in Hochenergiephysik-Experimenten'', Dissertation, Fachbereich Physik der [[Universität Hamburg]], 1992, [https://cds.cern.ch/record/243081/files/Thesis-1992-Wunstorf.pdf Interner Bericht: DESY FH1k-92-01] (PDF; 93,1 MB), abgerufen am 9. Juni 2013.</ref>
* Sandwich-Kalorimeter, bestehend aus abwechselnden Lagen von [[Szintillator]]en und [[Absorption (Physik)|Absorbermaterialien]] (z. B. im [[DESY#ZEUS|ZEUS-Kalorimeter]] an [[DESY#HERA|HERA]] am [[DESY]]).<ref name="Dannemann">A. Dannemann: ''Untersuchungen zur Strahlungsresistenz polymerer Materialien für den Einsatz in Experimenten der Hochenergiephysik'', Dissertation, Fachbereich Physik der [[Universität Hamburg]], 1996, [http://inspirehep.net/record/417698/files/f35d-96-06.pdf Interner Bericht: DESY F35D-96-06] (PDF; 5,8 MB), abgerufen am 25. Mai 2013.</ref>

== Hadronische Kalorimeter ==
In einem hadronischen Kalorimeter lassen sich Teilchen nachweisen, die überwiegend der [[Grundkräfte#Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] unterliegen.<ref group="A">Diesen sog. [[Hadron]]en ist gemein, dass sie aus einzelnen [[Quark (Physik)|Quarks]] aufgebaut sind. Beispiele dafür sind [[Proton]]en, [[Neutron]]en, [[Pion]]en oder [[Kaon]]en.</ref> Da hadronische Teilchen szintillierendes Material fast ungehindert durchdringen, ist ein Aufbau wie beim elektromagnetischen Kalorimeter nicht möglich. Häufig werden daher hadronische Kalorimeter als „Sampling“-Kalorimeter in Schichten ausgeführt, wobei sich empfindliche Nachweisschichten mit unempfindlichen, nur dem Energieverlust dienenden Schichten abwechseln. In diesen Absorbern finden die Wechselwirkungsprozesse der hadronischen Teilchen statt, die dann Elektronen, Photonen, Kernfragmente und Hadronen erzeugen; diese werden wiederum in der anschließenden sensitiven Schicht durch Erzeugung von Szintillationslicht nachgewiesen.<ref name="Povh"/>

== Forschung und Entwicklung ==
Mit den beständig größer werdenden Energien und Intensitäten in der [[Teilchenphysik]] steigen auch die Anforderungen an [[Qualität]], [[Komplexität]] und [[Strahlenresistenz]]<ref group="A">Bspw. ist der [[Large Hadron Collider]] (LHC) im Vollbetrieb mit etwa 2800 Teilchenpaketen gefüllt, die den derzeit größten Teilchenbeschleuniger über Zeiträume von Stunden mit einer [[Frequenz]] von 11 kHz umlaufen. Das bedeutet alle 25 Nanosekunden eine Kollision an den Wechselwirkungspunkten (der Teilchendetektoren bzw. Kalorimeter), entsprechend einer Luminosität von 1034 cm−2s−1. Die damit verbundene [[Strahlendosis]] für die technischen Komponenten ist enorm.</ref><ref name="Wunstorf"/><ref name="Dannemann"/> der [[Teilchendetektor|Detektoren]], deren wesentliche Komponente das Kalorimeter darstellt.<ref>[[Ilja Bohnet|I. Bohnet]], U. Fricke, B. Surrow, K. Wick, ''Investigation of non-uniform radiation damage observed in the [[DESY#ZEUS|ZEUS]] Beam Pipe Calorimeter at [[DESY#HERA|HERA]]'', Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 78 (1999) 713 – 718.</ref><ref>G. Lindström, ''Radiation Damage in Silicon Detectors'', Nucl. Instr. Meth. A 512, Seiten 30–43, 2003.</ref> Die Entwicklung und der Bau dieser speziellen Detektorkomponente sind ein eigenständiger Zweig der Wissenschaft geworden.<ref>Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, [http://www.journals.elsevier.com/nuclear-instruments-and-methods-in-physics-research-section-a-accelerators-spectrometers-detectors-and-associated-equipment/ Elsevier], abgerufen am 26. Mai 2013.</ref>

== Weblinks ==
* [https://www.solstice.de/grundl_d_tph/exp_detek/exp_detek_11.html Kalorimeter - Grundlagen der Teilchenphysik], abgerufen am 26. Mai 2013.

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Anmerkungen ==
<references group="A" />{{Normdaten|TYP=s|GND=4163121-3}}
[[Kategorie:Teilchendetektor]]

Kalorimeter (Teilchenphysik) - Versionsgeschichte

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