Detektory czastek. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład III. Detekcja czastek detektory śladowe kalorymetry Detektory w dużych eksperymentach

Transkrypt

1 czastek Elementy fizyki czastek elementarnych Wykład III Detekcja czastek detektory śladowe kalorymetry w dużych eksperymentach

2 Jonizacja U podstaw działania przeważajacej większości detektorów czastek elementarnych leży zjawisko jonizacji: Czastka naładowana przechodzac przez ośrodek oddziałuje Kulombowsko z elektronami i oddaje im część swojej energii wybijajac je z atomów. A.F.Żarnecki Wykład III 1

3 Jonizacja Straty energii na jonizację opisuje wzór Bethe-Blocha: de dx = MeV g cm 2 gdzie: z - ładunek czastki, β - jej prędkość I - energia jonizacji; dla większości materiałów 10 ev δ - poprawka zwiazana z polaryzacja ośrodka Przy założeniu m m e jonizacja zależy wyłacznie od β / γ Straty minimalne dla γ 3: de dx z 2 Z A 1 β 2 Stopping power [MeV cm 2 /g] [ ln 2m eβ 2 γ 2 I 2 β 2 δ 2 Lindhard- Scharff Nuclear losses µ Anderson- Ziegler min 2MeV/ g ] wzór Bethe-Blocha Bethe-Bloch µ + on Cu Radiative effects reach 1% [GeV/c] Muon momentum Radiative losses Without δ βγ [MeV/c] Minimum ionization A.F.Żarnecki Wykład III 2 cm 2 E µc [TeV/c]

4 Jonizacja Jonizacja może prowadzić do wielu różnorodnych procesów, będacych podstawa detekcji czastek. Metody historyczne : kondensacja pary komora mgłowa Wilsona (1911) reakcje chemicznych ślady w emulsji fotograficznej ( 1930) (wciaż używane ze względu na precyzję) Wykorzystywane współcześnie: świecenie (scyntylacja) liczniki scyntylacyjne przepływ pradu liczniki gazowe detektory półprzewodnikowe wrzenie cieczy komora pęcherzykowa (1952) wyładowanie elektryczne komora iskrowa A.F.Żarnecki Wykład III 3

5 Licznik scyntylacyjny W niektórych substancjach (kryształach, zwiazkach organicznych) powrotowi wzbudzonego atomu do stanu podstawowego towarzyszy emisja fotonu - scyntylacja Emitowane fotony moga być rejestrowane przez fotopowielacze, fotodiody lub inne elementy światłoczułe. Zalety: tanie, szybka odpowiedź detektora (kilka ns)... Wady: kłopotliwy tor optyczny, brak pomiaru pozycji... A.F.Żarnecki Wykład III 4

6 Licznik scyntylacyjny Ogromny postęp w dziedzinie urzadzeń opto-elektronicznych, jaki dokonał się w ostatnich latach, doprowadził do ponownego wzrostu zainteresowania scyntylatorami. Element odczytu prototypu kalorymetru dla ILC Krzemowy fotopowielacz Jeszcze nie tak dokładny jak tradycyjny, ale szybki postęp... A.F.Żarnecki Wykład III 5

7 Licznik scyntylacyjny Miniaturyzacja odczytu otworzyła drogę do budowy detektorów śladowych opartych o włókna scyntylujace Ekspertyment D0 Element odczytu (8 włókien) A.F.Żarnecki Wykład III 6

8 Zastosowania aplikacyjne A.F.Żarnecki Wykład III 7

9 Liczniki gazowe Wielodrutowa komora proporcjonalna: Jony i elektrony swobodne, powstałe w gazie w wyniku jonizacji, dryfuja w kierunku odpowiednich elektrod. Pole elektryczne jest najsilniejsze przy drutach anodowych. Przy odpowiednim doborze napięcia może tam dojść do wtórnych jonizacji i kaskadowego powielania ładunku porzez przyspieszane elektrony wzmocnienie gazowe ( ) Nagroda Nobla Georges Charpak: for his invention and development of particle detectors, in particular the multiwire proportional chamber (MWPC) A.F.Żarnecki Wykład III 8

10 Liczniki gazowe Słabym punktem komory wielodrutowej sa... druty. Ze względu na działajace siły nie moga być zbyt blisko siebie ograniczona rozdzielczość przestrzenna ( 1mm) Nowe pomysły Micro-Strip Gas Chamber (MSGC): anode 7 µm coating 1 µm gas mixture Ne(40%)-DME(60%) cathode 93 µm thickness 0.6 µm pitch 200 µm J_V_255 drift plane 3 mm 0.3 mm glass substrate Wielodrutowe komory MWPC, oparte na pomyśle Czarpak a, stosowane sa coraz rzadziej. zamiast drutów - metalowe paski napylone na izolatorze pół komory wielodrutowej Odległości między paskami moga być dużo mniejsze dokładniejsze pomiary torów ( 100µm) pixle zamiast pasków możliwa rekonstrukcja 2-D!!! A.F.Żarnecki Wykład III 9

11 Komora dryfowa Komora proporcjonalna z wydłużonym obszarem dryfu: t = 0 t = t /v d Znajac prędkość dryfu elektronów w komorze v d oraz opóźnienie impulsu z komory t możemy wyznaczyć pozycję czastki... Typowe prędkości dryfu: v d 10 5 m/s = 100 µm/ns Dokładność pomiaru czasu 1ns dokładność pozycji 100µm Wada: pomiar tylko w jednym wymiarze... A.F.Żarnecki Wykład III 10

12 Komora TPC Time Projection Chambre - komora projekcji czasowej Pełna, trójwymiarowa (3D) rekonstrukcja toru czastki na podstawie: czasu dryfu elektronów (1 współrzędna) miejsca rejestracji elektronów w MSGC (2 współrzędne) Schematyczny rysunek TPC (1/4 detektora): kalorymetr izolacja zewn. katoda centralna e izolacja wewn. E MSGC elektronika TPC mocowanie kable kalory dodatkowe komory IP (nominalny punkt oddziaływania) oś detektora A.F.Żarnecki Wykład III 11

13 Eksperyment NA49 (zderzenia ciężkich jonów) A.F.Żarnecki Wykład III 12

14 STAR A.F.Żarnecki Wykład III 13

15 Komora TPC 32 Jednoczesny pomiar pędu (z zakrzywienia toru w polu magnetycznym) i gęstości strat na jonizację pozwala na (częściowa) identyfikację czastek: de/dx (kev/cm) µ π K p e D Momentum (GeV/c) A.F.Żarnecki Wykład III 14

16 półprzewodnikowe Sa coraz powszechniej używane w fizyce czastek. Przykład konstrukcji detektora krzemowego (silicon micro-strip detector): W wyniku jonizacji powstaja swobodne elektrony i dziury. mierzymy przepływ ładunku przez spolaryzowane w kierunku zaporowym złacze pn (diodę). Warstwa typu p w postaci waskich pasków bardzo dokładny pomiar pozycji czastki (< 10µm) półprzewodnikowe moga także wykorzystywać inne technologie, np. układy typu CCD (powszechnie używane w kamerach cyfrowych). A.F.Żarnecki Wykład III 15

17 Pojedyńczy segment detektora wierzchołka eksperymentu ZEUS A.F.Żarnecki Wykład III 16

18 Eksperyment D0 A.F.Żarnecki Wykład III 17

19 półprzewodnikowe Dzięki rozwojowi technologii możemy budować coraz tańsze i coraz większe detektory: półprzewodnikowe sa używane głównie do pomiaru wierzchołka oddziaływania i wierzchołków wtórnych NA NA NA Mark II 1990 DELPHI 1991 ALEPH 1991 OPAL 1992 CDF 1993 L CLEO III 1999 BABAR 2001 CDF-II 2006 ATLAS 2006 CMS identyfikacji mezonów B (kwarku b; cτ 0.5mm) Year of operation A.F.Żarnecki Wykład III 18

20 ALEPH e + e Zh b b q q zrekonstruowane dwa wtórne wierzchołki ALEPH DALI_F1 ECM=206.7 Pch=83.0 Efl=194. Ewi=124. Eha=35.9 BEHOLD Run=54698 Evt=4881 Nch=28 EV1=0 EV2=0 EV3=0 ThT= :32 Detb= E3FFFF Gev EC (φ 138)*SIN(θ) 5 Gev HC o o o o x x ox o x o x oo ox o x x o oo xo o x RO TPC 0.3cm 0.6cm Y" 1cm 0 1cm X" P>.50 Z0<10 D0<2 F.C. imp. µ o x o o o 15 GeV x θ=180 θ=0 o o o o o o o x x x x o x A.F.Żarnecki Wykład III 19

21 śladowe (mierzace tory czastek) pozwalaja na pomiar pędu jedynie dla czastek naładowanych (!) Aby jak najmniej zakłucać lot czastki detektory śladowe powinny mieć jak najmniejsza gęstość/grubość Czastki neutralne nie oddziałuję praktycznie w detektorach śladowych pozostaja niewidoczne musimy mieć inna metodę dla ich pomiaru Aby zmierzyć energię czastek neutralnych lub pęków (ang. jetów) czastek (zawierajacych cz. naładowane i neutralne) budujemy Kalorymetry A.F.Żarnecki Wykład III 20

22 Kalorymetry Pomiar energii w kalorymetrze polega na całkowitej absorbcji czastki padajacej i zamianie jej energii na mierzalny sygnał. Sygnał pochodzi od kaskady czastek wtórnych, powstajacych w oddziaływaniu czastki pierwotnej z gęstym materiałem kalorymetru. Czastki wtórne dziela się energia czastki pierwotnej, a jonizujac ośrodek prowadza do powstania sygnału proporcjonalnego do poczatkowej energii. Rodzaje kaskad (i kalorymetrów): elektromagnetyczne (elektronowo-fotonowe) - wywoływane przez elektrony, pozytony, fotony, π hadronowe - wywoływane przez inne, silnie oddziałujace czastki A.F.Żarnecki Wykład III 21

23 Kalorymetry elektromagnetyczne Dla energii powyżej E c 10 MeV: elektrony traca energię prawie wyłacznie na promieniowanie hamowania e γ fotonów ulegaja konwersji na pary e + e γ e e + Wysokoenergetyczny elektron lub foton wpadajac do kalorymetru wywołuje kaskadę składajac a się z N E/E c czastek Promieniowanie hamowania i kreacja par nie zmieniaja energii kaskady 100% tracone na jonizację ośrodka możliwy jest bardzo dokładny pomiar energii. A.F.Żarnecki Wykład III 22

24 Kalorymetry hadronowe Oddziaływania silne hadronów z jadrami ośrodka prowadza głównie do produkcji pionów (π ±, π ) i kaonów (K ±, K ). π + K + π + π ο π π + π+ Większość energii poczatkowej γ γ czastki zostaje ostatecznie zużyta na jonizację ośrodka dajac mierzony sygnał. Jednak część energii gubiona jest na wzbudzenia i rozbicie jader oraz neutrina produkowane w rozpadach. Z uwagi na duże fluktuacje w rozwoju kaskady prowadzi to do niepewności w pomiarze energii: σ E E 50% E[GeV ] Stosujac odpowiednie materiały (np. uran) możemy odzyskać część energii traconej w procesach jadrowych i poprawić dokładność pomiaru (tzw. kalorymetry kompensujace). Możemy też starać się zmierzyć udział różnych procesów w rozwoju kaskady ( tracking calorimeter ) A.F.Żarnecki Wykład III 23

25 Symulacja rozwoju kaskady hadronowej A.F.Żarnecki Wykład III 24

26 Kalorymetry jednorodne Kaskada rozwija się wyłacznie w materiale aktywnym (pozwalajacym na pomiar strat energii): Kalorymetry próbkujace Materiał aktywny (pomiar) przekładany wartwami gęstego absorbera (rozwój kaskady): Precyzyjny pomiar, ale kalorymetr duży i kosztowny (materiały aktywne maja naogół niewielkie gęstości) Dodatkowe fluktuacje pogarszaja pomiar, ale kalorymetr jest dużo mniejszy i tańszy Wpływ fluktuacji maleje ze wzrostem energii A.F.Żarnecki Wykład III 25

27 Tracking calorimeter A.F.Żarnecki Wykład III 26

28 sa jak ogry... Ogry sa jak cebula... Cebula ma warstwy... Ogry maja warstwy... maja warstwy... A.F.Żarnecki Wykład III 27

29 Struktura warstwowa Współczesne eksperymenty fizyki wysokich energii (zwłaszcza te na wiazkach przeciwbieżnych) sa naogół zbudowane z wielu różnorodnych elementów. Ułożone jeden za drugim detektory umożliwiaja optymalny pomiar wszystkich rodzajów czastek i ich (zwykle częściowa) identyfikację. Kaskady elektromagnetyczne sa dużo krótsze niż hadronowe, gdyż naogół droga radiacyjna drogi na oddziaływanie (silne) 1X 1λ int A.F.Żarnecki Wykład III 28

30 , d. sladowe kalorymetry VTX TPC e. m. hadronowy det. mionowe e + γ π +, p... ο n, K... µ + ν A.F.Żarnecki Wykład III 29

31 A.F.Żarnecki Wykład III 30

32 A.F.Żarnecki Wykład III 31

33 A.F.Żarnecki Wykład III 32

34 Eksperyment ZEUS A.F.Żarnecki Wykład III 33

35 Przypadek rozpraszania elektron-proton Ekspertment ZEUS A.F.Żarnecki Wykład III 34

36 Przypadek rozpraszania elektron-proton Ekspertment H1, det. sladowe kal. elektromagnetyczny kal. hadronowy hadrony e p e R Z A.F.Żarnecki Wykład III 35

37 SiD Projekt detektora dla eksperymentu przy ILC Koncepcja detektora opartego w całości o detektory półprzewodnikowe (krzemowe) A.F.Żarnecki Wykład III 36

38 Rekonstrukcja czastek Przyszłe detektory Particle Flow Algorithm (PFA) Detektor wyposażony w kalorymetr śladowy umożliwia pełna identyfikację wszystkich produkowanych czastek i optymalny pomiar ich energii. A.F.Żarnecki Wykład III 37