Für das geplante Programm von PANDA ist eine nahezu vollständige Abdeckung des Raumwinkels zusammen mit einer hervorragenden Teilchenidentifikation und einer hohen Energie- und Winkelauflösung für geladene Teilchen und Photonen erforderlich.
Klingt kompliziert? Ist es auch! Aber eins nach dem anderen - was bedeutet das eigentlich? Und was hat der PANDA-Detektor mit einer Zwiebel zu tun?
Der Raumwinkel ist quasi das dreidimensionale Gegenstück zu einem normalen Winkel. Wenn man also eine Kugel um einen Punkt stellt, wieviel der Kugel kann man sehen? Und das ist gerade in der Welt der Teilchendetektoren ein großes Problem - denn oft steht schlicht etwas im Weg, wo man den Detektor nicht hinstellen kann. Gleichzeitig wird es auch sehr teuer. Die Teilchenidentifikation mit einer Energie- und Winkelauflösung ist auch beliebig kompliziert. Denn mehr Auflösung bedeutet ganz banal auch mehr Material, welches den Raumwinkel abdecken muss und damit kostet es auch mehr.
Aber wie löst die PANDA-Kollaboration dieses Problem? Mit einem gehörigen Schuss Kreativität und Genialität.
Der Einfachheit halber unterteilen wir den Detektor in die folgenden Teile:
- Das Tracking System (um zu wissen wo die Teilchen lang fliegen)
- Das Kalometrie-System (um zu wissen welche Energie die Teilchen haben)
- Die Teilchenidentifikation (um zu wissen, welche Teilchen es sind)
- Das Vorwärts-Spektrometer (um zu wissen was vorne raus passiert)
- Das Magnet-System (um den Detektor perfekt einzustellen)
- Das Target-System (um zu wissen worauf man schiesst)
Diese werden gleich erklärt, aber zuerst zur Zwiebel - denn der Platz um eine Teilchenkollision ist endlich. Und es ist wichtig, dass dieser vom Detektor ideal genutzt werden kann. Von daher ist der Detektor wie eine Zwiebel aufgebaut - in Schichten. In den ersten Schichten werden die Teilchen so vermessen, dass sie weiter in die nächsten Schichten fliegen können, bis in der letzten Schicht auch so gemessen werden kann, dass die Teilchen absorbiert werden. Wenn wir den Detektor so bauen, dass die Absorption am Anfang passiert, dann können wir uns ganz banal die letzten Schichten auch sparen. Aber wie sieht PANDA nun im Detail aus?
Das Tracking-System besteht aus dem sogenannten Mikro-Vertex-Detektor (MVD), dem Central Track und dem Forward Tracker. Die Idee dahinter ist immer gleich, aber die Detektoren ergänzen sich hervorragend. Der MVD ist ein Hochpräzisionsdetektor, der aus vielen kleinen Bereichen besteht, durch die die Teilchen fliegen. Dadurch wissen wir ungefähr, wohin die Teilchen fliegen und zwar schon sehr nah an der Kollision.
Das Kalometrie-System besteht hauptsächlich aus dem elektromagnetischen Kalorimeter. Das Prinzip dahinter ist relativ einfach - am Ende des Detektors steht ein System aus Kristallen, die die Teilchen absorbieren. Die deponierte Energie kann man mittels verschiedenen Methoden messen.
Die Teilchenidentifikation ist ein Herzstück der meisten Teilchendetektoren. Hierfür gibt es für verschiedene Teilchen verschiedene Prinzipien. So werden Pionen und Kaonen in PANDA über den DIRC-Detektor detektiert, Teilchen mit einem niedrigen Impuls (d.h. meistens langsame Teilchen) über das Time Of Flight-System (TOF), Muonen über das Muon Detection System und zusätzlich gibt es noch viele andere Detektoren, die hier unterstützen.
Das Vorwärts-Spektrometer ist ein System, welches speziell dafür angepasst ist die wichtigen Funktionen sehr nah an der Strahllinie zu erfüllen. Das ist nicht ganz einfach, weil der Platz sehr limitiert ist und die Konstruktion nicht einfach ist.
Das Magnetsystem liefert ein Magnetfeld von 2 Tesla über eine Länge von etwa 4 m und einen Durchmesser von 1,9 m. Gleichzeitig muss dieser Bereich für Detektoren freigehalten werden. Das ist alles andere als trivial. Die technologische Herausforderung wird durch zusätzliche Anforderungen erschwert, z.B. dass das Feld sehr homogen sein muss.
Zugleich gibt es im Vorwärts-Bereich einen Diplol-Magneten, welche die Teilchen in diesen Bereichen nochmal aufteilt und für eine bessere Teilchenidentifikation sorgt.
Das ganze Experiment wäre allerdings nichts ohne das sogenannte Target-System. PANDA hat drei verschiedene Targets, die je nach physikalischer Fragestellung in Einsatz kommen. Diese sind das Cluster beam target, das Pellet beam target und das Fiber target. Wichtig ist hier weniger die konkrete Funktionsweise, sondern vielmehr, dass es eine ganze Reihe von möglichen Einsätzen, von hochpräzisen Proton-Kollisonen bis hin zu Kern-Kollisionen gibt.
Natürlich beschreibt dieser kurze Abriss nicht wie PANDA im Detail funktioniert, aber man sieht, dass ein solcher Detektor immer eine Vielzahl von Komponenten beinhalten, die nach dem Zwiebel-Prinzip aufgebaut sind.
