LHC Status: Physik (p+→ ←p+)
Energie: 6.5 TeV
max. Pakete pro Ring: 2556

RICH (Ring Imaging Cherenkov-Detektor) / Cherenkovstrahlung



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.


Entstehung eines Cherenkov-Lichtkegels unter einem bestimmten Winkel


Der Cherenkov-Effekt bildet sich auch in Kernreaktoren von Atomkraftwerken (bläuliches Glühen)


Aerogel