Einführung_Blasenkammer

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Eine Blasenkammer ist ein Teilchendetektor.
Man kann sie auch als “Auge der Teilchenphysiker“
bezeichnen, da es mit ihr möglich ist, die Spuren von 
Teilchen zu betrachten und so Rückschlüsse auf die Eigen-
schaften der Teilchen zu ziehen oder sogar neue 
Teilchen zu entdecken!

Wie eine Blasenkammer aufgebaut ist und wie
Spuren auf Blasenkammeraufnahmen identifiziert 
werden können, lernst du auf den folgenden Seiten.
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Viel Spaß beim Entdecken!

Einführung in die Blasenkammer

Das Elektron

Das Proton

Das Positron

Neutrale Teilchen - sichtbar oder nicht?

Das Photon

Das Neutron

Und sonst noch?

Aufbau der Blasenkammer

Das Compton-Elektron

Elektrisch neutrale Teilchen selbst sind nicht in der Blasenkammer
sichtbar, weil sie keine elektrische Ladung besitzen. Somit sind sie nicht 
in der Lage, Moleküle der Kammerflüssigkeit zu ionisieren und so 
zur Blasenbildung beizutragen.
Die anderen Ladungen (schwache und starke Ladung) spielen für die 
Sichtbarkeit in der Blasenkammer keine Rolle.
Elektrisch neutrale Teilchen können in der Blasenkammer jedoch indirekt 
beobachtet werden: Sobald sie sich in zwei (oder mehr Teilchen) mit 
elektrischer Ladung umwandeln, sind die Spuren der entsprechenden 
Teilchen sichtbar. Die Spuren dieser Teilchen scheinen dann “aus dem Nichts”
zu kommen. Dieser Effekt tritt auch auf, wenn ein elektrisch neutrales Teilchen
ein elektrisch geladenes Teilchen aus der Kammerflüssigkeit herauslöst.
Aufgrund der Impulserhaltung muss in jedem Punkt die (vektorielle) Summe
der Impulse aller Teilchen erhalten sein. Somit können elektrisch neutrale
Teilchen indirekt beobachtet werden.
Wird der Impulserhalt an einem Vertex überprüft und scheint nicht erfüllt 
zu sein, so ist dies ein Zeichen dafür, dass ein elektrisch neutrales Teilchen 
an dem Prozess am Vertex beteiligt war. Dieses Teilchen besitzt den fehlenden 
Impuls.

Hier ist ein Proton sichtbar, 
das durch ein Neutron aus
der Kammerflüssigkeit 
herausgelöst worden ist.

Die blau hervorgehobene Spur hinterließ 
ein Positron.
Es ist Teil eines Elektron-Positron-Paares,
das aus der Umwandlung eines Photons
entstand.

Die violett hervorgehobene Spur hinterließ ein Proton, 
welches durch Wechselwirkung mit einem Neutron aus
der Kammerflüssigkeit herausgelöst worden ist.

Die blau hervorgehobene Spur hinterließ ein Proton, 
welches durch Wechselwirkung mit einem Strahlteilchen
(Proton) aus der Kammerflüssigkeit herausgelöst worden ist.

Die violett hervorgehobene Spur hinterließ
ein Elektron, welches durch Compton-
Streuung aus der Kammerflüssigkeit 
herausgelöst worden ist.

Die grün hervorgehobene Spur stammt
von einem Elektron, das durch Wechsel-
wirkung mit einem Strahlteilchen aus der 
Kammerflüssigkeit herausgelöst worden ist.

Die türkis hervorgehobene Spur hinterließ
ein Elektron-Positron-Paar, das durch die
Umwandlung eines Photons entstanden ist.

Die rot hervorgehobene Spur hinterließ
ein Elektron-Positron-Paar, das durch die
Umwandlung eines Photons entstanden ist.

Die violett hervorgehobene Spur hinterließ
ein Elektron, welches durch Compton-
Streuung, also durch ein Photon, aus der 
Kammerflüssigkeit herausgelöst worden ist.

Elektronen befinden sich in der Flüssigkeit der Blasenkammer.
Die Strahlteilchen (Protonen), die die Blasenkammer auf 
allen Bildern von unten nach oben durchqueren, können 
Elektronen aus den Molekülen der Kammerflüssigkeit heraus-
lösen.
Die Blasenkammer ist von einem homogenen Magnetfeld
umgeben, welches aus der Bildebene herauszeigt. Da die Elektronen
bewegte Ladungsträger sind, wirkt auf sie die Lorentzkraft und ihre
Spur ist nach links gekrümmt (Rechte-Hand-Regel).

Achtung: Die Spuren sind auf den Aufnahmen im Original nicht farbig.
Sie sind hier nur zur besseren Sichtbarkeit hervorgehoben.

Elektronen können aber auch durch Compton-Streuung, also durch
Wechselwirkung mit einem Photon, aus der Kammerflüssigkeit 
herausgelöst werden.
In diesem Fall gibt es keine Spur, die zu dem Ursprungs-
vertex (Ursprungspunkt) der Spirale hinführt, da Photonen 
keine Spur in der Blasenkammer hinterlassen.



Elektronen, die aufgrund von Compton-Streuung
sichtbar sind, werden im Folgenden auch als Compton-
Elektronen bezeichnet.

Protonen befinden sich in der Kammerflüssigkeit der Blasenkammer.
Die Strahlteilchen, die die Blasenkammer auf 
allen Bildern von unten nach oben durchqueren, können 
Protonen aus den Molekülen der Kammerflüssigkeit heraus-
lösen.
Die Blasenkammer ist von einem homogenen Magnetfeld umgeben,
welches aus der Bildebene herauszeigt. Da die Protonen
bewegte Ladungsträger sind, wirkt auf sie die Lorentzkraft und ihre
Spur ist nach rechts gekrümmt (Rechte-Hand-Regel).

Protonen können auch durch Wechselwirkung mit Neutronen aus der 
Kammerflüssigkeit herausgelöst werden.
In diesem Fall gibt es keine Spur, die zu dem Ursprungs-
vertex (Ursprungspunkt) der Protonenspur hinführt, 
da Neutronen keine Spur in der Blasenkammer hinterlassen.

Positronen sind nicht in der Kammerflüssigkeit vorhanden,
sie müssen also erst entstehen, bevor sie eine Spur hinter-
lassen können.
Positronen entstehen durch die Umwandlung eines Photons
in ein Elektron-Positron-Paar. Da alle Ladungen, also auch 
die elektrische Ladung, erhalten sein müssen, kann ein 
Positron aus einem Photon nur als Teil eines Elektron-
Positron-Paares entstehen.
In diesem Fall gibt es keine Spur, die zu dem Ursprungs-
vertex (Ursprungspunkt) der Spirale hinführt, da Photonen 
keine Spuren in der Blasenkammer hinterlassen.

Ein Photon selbst ist in der Blasenkammer nicht sichtbar, da es 
elektrisch neutral ist. Ein Photon kann aber indirekt
beobachtet werden. Hierzu werden die Spuren der elektrisch geladenen
Teilchen genutzt, die bei seiner Umwandlung oder Wechselwirkung 
entstehen. Ein Photon kann sich zum Beispiel in ein Elektron-Positron-Paar 
umwandeln.
Durch vektorielles Addieren der Impulse des Elektrons und 
des Positrons kann über die Impulserhaltung der Impuls des
Photons berechnet werden.

Die Krümmung der Spuren der Teilchen, die bei der Umwandlung
eines Photons entstehen, hängt über die Formel p=0,3Br von 
deren Impuls ab. Auch wenn die Krümmungsradien unterschiedlich
sind, kann es sich dennoch um ein Elektron-Positron-Paar handeln,
da die beiden Teilchen nicht den gleichen Impuls erhalten müssen.

In diesem Fall besaß das Positron einen größeren Impuls und 
somit besitzt seine Spur einen größeren Krümmungsradius als die 
des Elektrons. Die Spur des Positrons führt aus dem Bild hinaus.

Ein Photon kann auch mittels Compton-Streuung mit
einem Elektron wechselwirken und so
indirekt beobachtet werden.

Ein Neutron ist in der Blasenkammer nicht sichtbar, da es 
elektrisch neutral ist. Ein Neutron kann aber indirekt 
beobachtet werden. Hierzu werden die Teilchen genutzt, 
die bei seiner Wechselwirkung mit anderen Teilchen
entstehen.

Ein Photon kann zum Beispiel mit einem Proton
aus der Kammerflüssigkeit wechselwirken. 
Dadurch wird das Proton aus der Kammerflüssigkeit
herausgelöst und erhält einen Impuls, sodass seine 
Spur in der Blasenkammer sichtbar wird.

Es gibt noch viele weitere Dinge, die sich in der Blasenkammer
beobachten lassen. In dieser Einführung hast du die Spuren
der Teilchen kennengelernt, die du für die grundlegenden Blasen-
kammeraufnahmen benötigst.

Auf dem Blasenkammerbild links siehst du beispielsweise ein Pion (rot hervor-
gehobene  Spur), welches sich in ein Myon (grün hervorgehobene Spur) umwandelt.
Das Myon wandelt sich wiederrum in ein Positron (gelb hervorgehobene Spur) um.

Diese und weitere Prozesse kannst du in den Blasenkammermaterialien
für erhöhtes Anforderungsniveau erkunden.

In der Abbildung ist der schematische Aufbau einer 
Blasenkammer dargestellt (nicht maßstabsgetreu). Die 
Kammer selbst besteht aus einem zylindrischen Behälter,
welcher mit einer Kammerflüssigkeitgefüllt ist (hier grau 
dargestellt, allerdings in der Realität farblos). Die Blasen-
kammer, deren Aufnahmen wir im Folgenden betrachten, 
war mit Wasserstoff gefüllt.

An die Kammer ist ein Kolben angeschlossen, mithilfe dessen das
Volumen der Kammer plötzlich vergrößert werden kann. Dadurch  
wird die Flüssigkeit überhitzt. Durchqueren nun elektrisch geladene 
Teilchen die Kammer, bilden sich entlang ihrer Spuren kleine Dampf-
bläschen. Nach diesem Phänomen ist diese Art von Teilchendetektor
benannt. Elektrisch neutrale Teilchen hinterlassen keine Spur in 
der Kammer.

Aussehen von Blasenkammern

Die Kammer ist umgeben von Magnetspulen (nicht abgebildet), die 
innerhalb der Kammer ein homogenes Magnetfeld erzeugen. Dieses
zeigt in der Abbildung aus der Bildebene hinaus, symbolisiert durch

Durch das Magnetfeld werden elektrisch geladene Teilchen, welche die
Kammer durchqueren, aufgrund der Lorentzkraft auf gekrümmte Bahnen
gezwungen. Da die Krümmungsrichtung abhängig vom Vorzeichen der
elektrischen Ladung ist, können aufgrund der Krümmungsrichtung der Spuren
elektrisch positiv und elektrisch negativ geladene Teilchen voneinander
unterschieden werden.

Damit die Spuren der Teilchen beobachtet werden können, ist die Blasen-
kammer mit Kameras sowie mit einem Beleuchtungssystem ausgestattet. 
Durch ein Linsensystem an den Kameras und der Beleuchtung 
können die Teilchenbahnen in der gesamten Blasenkammer fotografiert werden.

Nach dem Fotografieren wird die Kammerflüssigkeit wieder komprimiert und die 
Blasen verschwinden. Nun kann der Prozess wieder von vorn beginnen.

Auf den Bildern kannst du drei Blasenkammern von 
außen sehen.
Ganz oben ist die BEBC (Big European Bubble Chamber)
des Cern zu sehen.
In der Mitte ist eine Blasenkammer vom Desy abgebildet.
Das unterste Foto zeigt die 15-Fuß-Blasenkammer des 
Fermilab.

Diese Blasenkammern sind heute alle nicht mehr in Gebrauch.
Es werden allerdings wieder Blasenkammern eingesetzt, um 
nach Dunkler Materie zu suchen.

Du fragst dich vielleicht, warum auf den Fotos dieser Blasenkammern
keine der Komponenten zu sehen ist, die du auf den vorherhigen Seiten 
kennengelernt hast?
Damit in einer Blasenkammer Teilchenspuren sichtbar gemacht werden 
können, sind noch viele weitere Komponenten notwendig, die die eigentliche
Kammer umgeben:
Zum Beispiel Kühlsysteme, denn Wasserstoff ist bei Atmosphärendruck (ca.1 bar)
erst ab 14,01K (−259,14 °C) flüssig.

\text{via Wikimedia Commons- http://commons.wikimedia.org/wiki/}

\text{licenses/by/3.0/

}

\text{“BubbleChamber-fnal”. Licensed under Public Domain
 }

\text{File:Big_European_Bubble_Chamber.jpg}

\text{“Big European Bubble Chamber”. Licensed under CC BY-SA 3.0 }

\text{“Blasenkammer - Bubble Chamber”
}

\text{by Eric Wüstenhagen.
}

\text{is licensed under a Creative Commons 
}

\text{license:
http://creativecommons.org/
}

\text{https://www.flickr.com/photos/
}

\text{eriwst/4107411980/
File:4107411980
}

\text{_5199839c19_m.jpg
}

\text{  via Wikimedia Commons

}

\text{- http://commons.wikimedia.org/wiki/
 }

\text{File:BubbleChamber-fnal.jpg
 }

Was ist ein Vertex?

Zurück zum Compton-Elektron

Ein Vertex ist ein Wechselwirkungspunkt (in der Blasenkammer).
Die Strahlteilchen durchqueren die Blasenkammer und 
wechselwirken mit der Kammerflüssigkeit (Wasserstoff) zum 
Beispiel durch Compton-Streuung. Dadurch kann ein Elektron
der Kammerflüssigkeit genügend Energie erhalten, um das 
Wasserstoffatom zu verlassen, und wird so in der Blasenkammer sichtbar.
Der Punkt, an dem die Wechselwirkung stattgefunden hat, ist auch 
der Punkt, an welchem die Spur des Elektrons beginnt.
Dieser Punkt wird als Wechselwirkungspunkt oder auch
als Vertex bezeichnet.

Der Vertex

Der Vertex ist rot gekennzeichnet.

Wann ist ein Elektron sichtbar?

Zurück zum Elektron

In der Blasenkammer sind nur die Spuren bewegter elektrisch
geladener Teilchen sichtbar. 
Ein Teilchen aus der Kammerflüssigkeit wird daher erst sichtbar,
wenn es durch die Wechselwirkung mit einem anderem Teilchen
einen von Null verschiedenen Impuls erhält.

Sichtbarkeit in der Blasenkammer

Die Blasenkammer und das Bier

Zurück zur Einführung

Donald Glaser erfand die Blasenkammer im Jahr 1952 
und erhielt dafür bereits 1960 den Nobelpreis.

Einer Sage nach kam er auf die Idee, die Blasenkammer
zu erfinden, als er im Bier aufsteigende Blasen beobachtete. 

Die Blasenkammer und das Bier

Donald Glaser, 1960
Quelle: http://imglib.lbl.gov/

...und was hat Franckenstein damit zu tun?

Zurück zum Aufbau der Blasenkammer

Franckenstein und die Blasenkammer

Franckenstein
Quelle: Luis W. Alvarez,
Recent developments in particle physics
Nobel Lecture, December 11, 1968, S.262

Zu Beginn des Einsatzes von Blasenkammern zu Forschungszwecken
sind alle Auswertungen der Aufnahmen per Hand erfolgt. 
Da dies sehr aufwändig war, wurden Maschinen zur Arbeitserleichterung
entwickelt.

Die erste erfolgreich eingesetzte Maschine konnte automatisch Spuren
nachverfolgen und so vermessen. Diese Maschine ist von Jack V. Franck
entwickelt worden und erhielt den Spitznamen “Franckenstein”, da einer 
Legende zufolge der Physiker Arthur Rosenfeld beim ersten Anblick
der Maschine so entsetzt von deren äußerem Erscheinungsbild
war, dass er sie als “Monster” bezeichnete.

Anzeige = 0 (slider from 0 to 10, step 0.5)
A = (0.7769564676770963, 13.928714845413905)
B = (2.0523877585753723, 13.928714845413905)
a = Line(A, B)
C = (2.9074016650655645, 9.99170737239249)
D = (2.9074016650655645, 12.485461090417477)
b = Line(C, D)
E = Point(a)
c = OrthogonalLine(E, a)
F = (-2.8610380385940397, 13.111663486539427)
d = OrthogonalLine(F, a)
G = Point(d)
e = OrthogonalLine(G, d)
H = (-23.70051122264975, 4.031814849903892)
I = (7.878277974483051, 4.031814849903892)
J = (-34.71980090857867, -16.941595463792147)
K = (-26, 3.5)
L = (8, 3.5)