Kalorymetria - zasada dziaªania i przykªady detektorów

Transkrypt

1 Kalorymetria - zasada dziaªania i przykªady detektorów 23 listopada 2015 r. Seminarium specjalistyczne IF UJ zyka do±wiadczalna V rok

2 Plan seminarium: 1 Wst p 2 Kalorymetry elektromagnetyczne 3 Kalorymetry hadronowe 4 Kalibracja kalorymetrów 5 Kalorymetry kriogeniczne 6 Przykªady kalorymetrów

3 Co to jest kalorymetr? Kalorymetr jest to urz dzenie, które mierzy energi cz stki poprzez caªkowit absorpcj. Zasada dziaªania - kaskady elektromagnetyczne lub hadronowe Pozwalaj odró»nia cz stki (niektóre nie wywoªuj kaskad, np. miony) Wykorzystywane gªownie do pomiaru wysokoenergetycznych cz stek, w tym promieniowania kosmicznego

4 Promieniowanie hamowania Cz stki naªadowane zwalniaj w polu elektromagnetycznym j dra, emituj c fotony Straty energii wynosz : de dx 4αN Z 2 ( 1 A A e 2 ) 2 ( ) 183 z2 4πε 0 mc 2 E ln Ma znaczenie jedynie dla elektronów, pozytonów i ultra relatywistycznych mionów Energia krytyczna - energia, dla której stary na promieniowanie hamowania i jonizacj s sobie równe: 580 MeV E c (2) Z Z 1 3 (1)

5 Produkcja par Straty energii wynosz : de = b (A,Z,E) E (3) dx Foton musi mie minimaln energi MeV oraz musi by obecne trzecie ciaªo rednia droga swobodna dla produkcji par jest proporcjonalna do dªugo±ci radiacyjnej dla promieniowania hamowania elektronów: λ pair = 7 9 X 0 (4)

6 Jonizacja Wyst puje jonizacja pierwotna i wtórna rednia energia jonizacji jest wi ksza od energii jonizacji gazu, poniewa» elektrony z ni»szych powªok te» mog bra udziaª w jonizacji Ma znaczenie gªównie dla maªych energii Stosunek strat wynosi: Zale»no± od masy: R = ( de dx )Brem ZE ( de = dx 580 MeV )ion (5)

7 Kaskada elektromagnetyczna Elektrony z energi mniejsz od energii krytycznej E c trac energi jedynie poprzez jonizacj Elektron z energi wi ksz od energii krytycznej E c po przej±ciu drogi równej dªugo±ci radiacyjnej X 0 emituje promieniowanie hamowania o energii równej poªowie swojej energii Foton o energii wi kszej od energii krytycznej E c po przej±ciu drogi równej dªugo±ci radiacyjnej X 0 tworzy par e e z energiami równymi poªowie energii fotonu Czas narastania kaskady jest proporcjonalny do log(e 0 ) Nast pnie dominuje jonizacja, zjawisko fotoelektryczne oraz efekt Comptona

8 Kaskada elektromagnetyczna Straty radiacyjne elektronu o energii E wynosz : ( ) de = E (6) dx X 0 gdzie X 0 to dªugo± radiacyjna Energia n-tej cz stki wynosi E n = E 0 2 n (7) Energia krytyczna jest równa: E c = E 0 2 nmax (8) Zatem liczba warstw ma posta : n max = log(e 0E c ) log 2 (9) Przykªad: Elektron o energii 1 GeV w detektorze zbudowanym z jodku cezu: Energia krytyczna E c = 10 MeV Zasi g kaskady to okoªo 6.6 dªugo±ci radiacyjnych

9 Kaskada elektromagnetyczna eby zaabsorbowa caª energi fotonu, potrzeba materiaªu o grubo±ci okoªo 15X 0 Maksimum kaskady przesuwa si wraz ze wzrostem energii Grubo± kalorymetru powinna si zwi ksza logarytmicznie Wyciek energii jest spowodowany gªównie przez fotony przedostaj ce si na zewn trz detektora przez jego boki lub tyª

10 Kalorymetry homogeniczne Detektor jest jednocze±nie absorberem Dobra rozdzielczo± energetyczna Sªaba rozdzielczo± pozycyjna Wykorzystywany tylko do kalorymetrii elektromagnetycznej Zjawisko scyntylacje scyntylacje jonizacja promieniowanie Czerenkowa Substancja krysztaªy scyntylacyjne ciekªe gazy szlachetne ciekªe gazy szlachetne przezroczyste krysztaªy Rozdzielczo± energetyczna: σ 2 = σ 2 fi + σ 2 re + σ 2 ll + σ 2 ab (10) σ fi - uktuacje w punkcie oddziaªywania σ re - wyciek przez tyln cz ± detektora σ 2 ll - wyciek przez boki detektora σ ab - uktuacje albedo

11 Kalorymetry krysztaªowe Zwykle wykorzystuje si je jako hodoskopy Cz stka deponuje energi w klastrze krysztaªów Odczyt nast puje za pomoc fotopowielaczy, fotodiod pró»niowych lub silikonowych fotodiod Ma najlepsz rozdzielczo± energetyczn Jest elementem detektora CMS

12 Kalorymetr jonizacyjny Jest to macierz komór jonizacyjnych zanurzonych w ciekªym ksenonie lub kryptonie Rozdzielczo± energetyczna jest bliska tej kalorymetrów krysztaªowych Liczba wygenerowanych jonów jest proporcjonalna do energii pierwotnej cz stki Wynalezione w 1954 r w ZSRR Zwykle wymiary wynosz 1 m 1 m 2 m, a waga to kilkadziesi t ton Jest wykorzystany do pomiary energii cz stek kosmicznych (balon z germankiem bizmutu unosz cy si nad Antarktyk od 2000 r.): Wyniki W latach zarejestrowano 70 elektronów o energiach z zakresu ( ) GeV z nieznanego ¹ródªa (by mo»e pulsaru) oddalonego o co najwy»ej 3000 lat ±wietlnych.

13 Kalorymetry segmentowalne Detektor i absorber s oddzielone - tylko cz ± energii jest mierzona Ograniczona zdolno± energetyczna Dobra zdolno± pozycyjna Mog by wykorzystywane zarówno jako kalorymetry energetyczne, jak i hadronowe Do±wiadczalna rozdzielczo± energetyczna dla kalorymetrów zbudowanych z ciaª staªych: σ E = 2.7% E [GeV s[mm] ] fsamp s - grubo± warstwy absorbera f samp - stosunek straty na jonizacj cz stek, które najmniej jonizuj do sum strat w detektorze i warstwie czynnej Jako cz ±ci czynne wykorzystuje si : 1 Komory gazowe 2 Komory jonizacyjne wypeªnione ciekªym argonem 3 Scyntylatory

14 Kaskada hadronowa Wywoªywana zarówno przez naªadowane, jak i oboj tne hadrony Jest to seria nieelastycznych oddziaªywa«hadronów z j drami kalorymetru. W wyniku tego powstaj kolejne cz stki, które znowu oddziaªowuj z j drami materiaªu. Proces ten o wiele trudniej opisa w porównaniu do kaskad elektromagnetycznych Zderzenia elastyczne nie wnosz wkªadu do kaskady Cz stki trac te» energi na jonizacj i wzbudzanie atomów

15 Kaskada hadronowa Oddziaªywania nieelastyczne: 1 Produkcja mezonów i barionów 2 Spalacja 3 Wzbudzenie j dra 4 Rozszczepienie j dra Rozpad mezonów na fotony => kaskada EM

16 Spalacja Transformacja j dra spowodowana przez wysokoenergetyczn cz stk oddziaªuj c silnie Powstaje wiele cz stek elementarnych, cz stek α i inne Najbardziej prawdopodobny proces przy zderzeniu hadronu z j drem J dro jest w stanie wzbudzonym, po czym emituje inne cz stki lub ulega rozszczepieniu Cz stki wtórne maj wystarczaj co du»o energii,»eby oddziaªywa znowu z j drem

17 Wzbudzenie j dra Wzbudzone j dro emituje cz stki dopóki pozostaªa energia jest wi ksza od energii wi zania Typowy czas wy±wiecania to s

18 Rozszczepienie j dra Mo»e by wynikiem spalacji lub przechwycenia wolnego neutronu Potrzebne jest ci»kie j dro Najcz ±ciej rozszczepienie nast puje w 2 j dra, ale tak»e w 3 Je±li pozostanie energia ekscytacji, to emitowane s równie» hadrony i fotony

19 Kaskada elektromagnetyczna jako cz ± kaskady hadronowej Neutralne piony to okoªo 1/3 wszystkich pionów produkowanych w nieelastycznych zderzeniach Rozpadaj si one z czasem»ycia s na 2 fotony, które inicjalizuj kaskad EM Cz ± energii hadronu w postaci energii elektromagnetycznej: ( ) E k 1 f EM = 1 (11) E 0 gdzie E 0 (0.7 GeV 1.4 GeV ) w zale»no±ci od materiaªu, a k ( )

20 Rozmiary kalorymetrów Rozmiary kaskady opisywane za pomoc j drowej dªugo±ci absorpcji λ a Aby zarejestrowa 95% kaskady, potrzeba 7.6 λ a Zwykle stosuje si co najmniej 10 λ a λ a jest wi ksza od dªugo±ci radiacyjnej, dlatego kalorymetry hadronowe s zwykle wi ksze od elektromagnetycznych Dla»elaza zachodzi przybli»enie: ( ( ) ) E L(95%) = 9.4ln + 39 cm (12) 1 GeV Materiaª λ a Fe 16.8 Pb 17.1 U 10.5 Cu 15.1 Al 39.4 W 9.6 Ar 83.7 Si 45.5 Dla innych materiaªów mo»na przeskalowa za pomoc dªugo±ci oddziaªywania

21 Porównanie kaskady elektromagnetycznej i hadronowej Dªu»szy ±redni zasi g kaskady hadronowej W reakcjach j drowych nast puje du»y transfer p du transwersalnego Wi ksza szeroko± kaskady hadronowej Kaskada hadronowa Kaskada elektromagnetyczna

22 Niewidzialna energia W przypadku kaskad EM znaczn cz ± energii jeste±my w stanie zarejestrowa w detektorze W przypadku kaskad hadronowych cz ± energii jest niewidzialna (jest to cz ± energii wykorzystywana na zerwanie wi za«j drowych) Kalorymetry segmentowanie nie rejestruj równie» niektórych produktów rozpadu j der atomowych, bo maj one krótki zasi g Dªugo»yj ce cz stki (np. K 0 i neutrina) mog uciec z kalorymetru 1 f inv (30% 40%) 2 Gorsza rozdzielczo± energetyczna 3 Sygnaª pochodz cy od hadronu o tej samej energii, co elektron, b dzie miaª mniejsz warto±

23 Kompensacja niewidzialnej energii Uran mo»e by wykorzystany jako absorber Wtedy neutrony b d wytwarzane w reakcjach j drowych Te neutrony wywoªaj rozszczepienia j der => wyprodukuj kolejne neutrony i fotony, które wzmocni amplitud sygnaªu Mo»liwe jest wykorzystanie innych materiaªów, dla których proces rozszczepienia jest endotermiczny Neutrony w zderzeniach z wodorem mog produkowa protony odrzutu, które równie» zwi kszaj sygnaª Energie hadronów musz przekracza 1 GeV, aby udaªo si skompensowa straty energii Dla energii wi kszych ni» 100 GeV mo»e nast pi nadmierna kompensacja (mo»na tego unika poprzez zmniejszanie czasu, jaki cz stki przebywaj w absorberze) Rozdzielczo± energetyczna najlepszych kalorymetrów segmentowalnych (uran/scyntylator lub uran/ciekªy argon) wynosi: σ (E) E = 35% E [E] (13)

24 Kalorymetry segmentowane Cz ± aktywna: Scyntylatory Ciekªy argon Ciekªy ksenon Wielodrutowe komory proporcjonalne Licznik proporcjonalny Licznik Geugera-Mullera Komory jonizacyjne Cz ± pasywna: Uran Mied¹ Wolfram elazo Rzadziej: Aluminium Marmur Kalorymetry s do± zwarte nawet dla du»ych energii, bo ich dªugo± zale»y od logarytmu energii cz stki.

25 Zale»no± energii E i zdeponowanej w i- tej cz ±ci kalorymetru od zarejestrowanego impulsu ma posta : a i - wspóªczynnik kalibracji P i - oset E i = α i (A i P i ) (14) E(A) nie musi by liniowe. Procedury kalibracyjne: Okre±lenie osetu (wyzwalanie z pulsera bez»adnego napi cia na ADC) Sprawdzenie elektroniki Wyznaczenie warto±ci wspóªczynników α i Sprawdzenie stabilno±ci wspóªczynników α i Sprawdzenie zale»no±ci sygnaªu od miejsca uderzenia cz stki, k ta uderzenia Sprawdzenie zachowania kalorymetru w polu magnetycznym 1 Zbadanie wªasno±ci kaskad dla cz stek z akceleratorów 2 Dla kalorymetrów zaprojektowanych do pomiaru cz stek o mniejszych energiach wykorzystuje si ¹ródªa radioaktywne

26 Kalibracja c.d. Wzgl dna kalibracja: Je±li do eksperymentu potrzeba du»o kalorymetrów, mo»na skalibrowa za pomoc wi zki cz ± z nich Pozostaªe mo»na skalibrowa za pomoc sªabo jonizuj cych mionów W przypadku uranu tªo zwi zane z naturaln radioaktywno±ci mo»e by wykorzystane do wzgl dnej kalibracji W przypadku kalorymetrów scyntylacyjnych mo»na u»y diod LED i rejestrowa sygnaª z detektora. ródªo powinno by pojedyncze, aby unikn waha«intensywno±ci ±wiatªa. W przypadku kalorymetrów gazowych nale»y zmierzy sygnaª pochodz cy od ¹ródªa radioaktywnego w jakiej± komorze testowej. Tak otrzymana kalibracj zale»n od czasu mo»na kompensowa zmian wysokiego napi cia. Kolejnym krokiem jest sprawdzenie czasowej stabilno±ci kalibracji za pomoc okresowego pomiaru mionów z promieniowania kosmicznego.

27 Motywacja Potrzeba kalorymetrów dla cz stek o energiach od 1 ev do 1 MeV, aby bada : niskoenergetyczne kosmiczne neutrina sªabo oddziaªuj cych ci»kich cz stek innych rodzajów ciemnej energii Zast pujemy produkcj par ee i jonizacj przej±ciami kwantowymi, które wymagaj mniejszej energii. Pary Coopera: Fonony: 1 Energia 10 5 ev dla temperatury 100 mk 1 stany zwi zane dwóch elektronów z przeciwnymi spinami, które zachowuj si jak bozony 2 maj energie wi zania rz du E ( ,3 10 3) ev W bardzo niskich temperaturach cz stki mog produkowa du» liczb fononów lub zrywa pary Coopera.

28 Kalorymetry kriogeniczne 1 Detekcja quasi-cz stek w superprzewodnikach lub krysztaªach 2 Detekcja fononów w izolatorach

29 Detekcja quasi-cz stek w superprzewodnikach Kalorymetr skªada si z wielu nadprzewodz cych sfer wielko±ci mikrometrów znajduj cych si w polu magnetycznym Je±li cz stka przeka»e granulce cz ± swojej energii, granulka stanie si znowu normalnym przewodnikiem mo»na to wykry przez efekt Meissnera Do pomiaru pola magnetycznego wykorzystywane s Superconducting Quantum Interference Devices) - SQUIDy SQUIDy wykorzystuj efekt Josephona i zale»no± pr du od strumienia pola magnetycznego Mo»na równie» wykorzysta SIS (SuperconductingInsulatingSuperconducting transition) - cz stki przelatuj przez foli izoluj c mi dzy dwoma nadprzewodnikami, ale wyst puje problem pr du upªywu Zjawisko Josephona Tunelowanie elektronów mi dzy dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik rozdzielonymi nanometrow warstw izolatora.

30 Detekcja fononoów w izolatorach Zaabsorbowanie energii E powoduje wzrost temperatury o: c - pojemno± cieplna T = E kalorymetru (15) mc m - masa kalorymetr W niskich temperaturach pojemno± cieplna jest bardzo niewielka Za pomoc termistora o ujemnym wspóªczynniku temperatury mierzy si zmian temperatury

31 Poszukiwanie WIMPsów 1 Przekrój czynny na oddziaªywanie WIMPów jest bardzo maªy, wi c nale»y bardzo zredukowa tªo 2 Transfer energii WIMPów do j dra tarczy jest rz du 10 kev 3 Wykorzystuje si krysztaªy CaWO 4, CdWO 4 i ZnWO 4. 4 Mierzy si zarówno fonony, jak i scyntylacje 5 Wykonano symulacje WIMPy b d wygl daªy jak neutrony odpowiednie ci cia pozwol zredukowa tªo

32 Poszukiwanie WIMPsów

33 Detektor Belle Detektor ogólnego przeznaczenia znajduj cy si Japonii, przy akceleratorze KEKB (elektrony o energii 8 GeV s zderzane z pozytonami o energii 3.5 GeV) Sªu»y do pomiaru symetrii CP (pomiar rozpadu mezonu B na l»ejsze mezony) Dziaªa w polu magnetycznym o warto±ci 1.4 T 1 SVD - silicon vertex detector - mierzy miejsce rozpadu mezonu B 2 CDC - central drift chamber - pi dziesi cio warstwowa komora dryfowa, która mierzy ±lady naªadowanych cz stek, sªu»y do identykacji cz stek 3 ACC - aerogel Cherenkov counters - sªu»y do identykacji cz stek 4 TOF - time of ight - sªu»y do identykacji cz stek 5 ECL - electromagnetic calorimeter 6 KLM - K L and muon detection system 7 EFC - electron forward calorimeter

34 Detektor Belle - kalorymetr energetyczny

35 Detektor Belle - kalorymetr energetyczny Mezon B rozpada si na π 0 w okoªo 1/3 przypadków, co prowadzi do powstania kaskad elektromagnetycznych Zastosowano krysztaªy scyntylacyjne CsI(Tl) Wykrywa kwanty γ z du» wydajno±ci Sªu»y jako wyzwalanie Sªu»y do pomiaru ±wietno±ci Sªu»y do oddzielania elektronów od fotonów Pozwala wyznaczy energi i wspóªrz dne fotonu Skªada si z ponad 2000 krysztaªów uªo»onych w ksztaªcie beczki Š czna waga to okoªo 43 tony Ka»dy krysztaª jest zawini ty w 200 µm warstw porowatego teonu i jest pokryty 50 µm warstw polietylenu wiatªo jest odczytywane za pomoc diod Hamamatsu 10 mm 20 mm

36 Detektor Belle - kalorymetr energetyczny

37 Compact Muon Solenoid

38 CMS-kalorymetr elektromagnetyczny Skªada si z ci»szych od stali krysztaªów PbWO 4 lub PbWO o rozmiarach 22 mm 22 mm 230 mm i 30 mm 30 mm 220 mm, które maj krótk dªugo± radiacyjn (2.19 cm) i krótki czas wy±wietlania Odczyt nast puje za pomoc diod lawinowych (s zwarte i niezale»ne od pola magnetycznego) Jest to do± zwarty detektor z jedn z najlepszych rozdzielczo±ci energetycznej Skªada si z beczki i dwóch cokoªów

39 Wst p Kalorymetry EM Kalorymetry hadronowe Kalibracja Kalorymetry kriogeniczne Przykªady CMS-kalorymetr hadronowy Skªada si z warstw mosi dzu lub stali przeplatanymi plastikowymi scyntylatorami I Odczyt nast puje za pomoc wªókien przesuwaj cych dªugo± fali, aby zmaksymalizowa ilo± absorbera wewn trz detektora I Skªada si z beczki i dwóch cokoªów I HCAL Technical Design Report

40 ZEUS Pracowaª w Hadron Elektron Ring Anlage w Hamburgu do 2017 r. Sªu»yª do pomiaru zderze«elektronów Ma wymiary 12 m 10 m 19 m, wa»y 3600 ton 1 CAL - kalorymetr - mierzyª energie i kierunki cz stek 2 VXD - detektor wierzchoªka 3 CDT - centralna komora dryfowa - mierzyªa ±lady cz stek 4 FDT - przednia komora dryfowa - mierzyªa ±lady cz stek 5 BDT - tylna komora dryfowa - mierzyªa ±lady cz stek 6 TRD - transision radiation detector - identykowaª elektrony 7 nadprzewodz ca cewka wytwarzaj ca pole o warto±ci 1.8 T, aby okre±li p dy cz stek 8 BAC - zapasowy kalorymetr

41

42 ZEUS - kalorymetr Segmentowany, z uranem i scyntylatorem 3.3 mm warstwy zubo»onego uranu zawini te w folie o grubo±ci 200 µ lub 400 µ ze stali nierdzewnej przeplatane scyntylatorami o grubo±ci 2.6 mm Skªadaª si z nast puj cych cz ±ci: 1 BCAL (Barrel CALorimeter 2 FCAL (Forward CALorimeter) 3 RCAL (Rear CALorimeter) Ka»da z nich byªa podzielona na elektromagnetyczny i hadronowy kalorymetr Pokrywaª 99.8% k ta bryªowego Dawaª liniow i równ odpowied¹ dla hadronów i elektronów z dokªadno±ci do 1% Pozwalaª odró»nia elektrony od hadronów

43 Bibliograa: 1 R. Erbacher, Calorimetry: Energy Measurements 2 D. Grits, Introduction to Elementary Particles 3 K. Gruppen, B. Schwartz, Particle Detectors 4 M. Krammer, Detectors for Particle Physics 5 P. Krieger, ATLAS Calorimetry at the Large Hadron Collider 6 W. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments 7 J. Proudfoot, Hadron Calorimetry at the LHC 8 B. Surrow, Calorimetry in Nuclear and Particle Physics Experiments Nuclear and Particle Physics Experiments 9 cbooth.sta.shef.ac.uk/phy6040det/emcal.html 10 en.wikipedia.org/wiki/zeus_(particle_detector) 11 en.wikipedia.org/wikicompact_muon_solenoid#layer_2_.e _the_ Electromagnetic_Calorimeter 12 home.cern/about/how-detector-works 13 cds.cern.ch/record/357153/les/cms_hcal_tdr.pdf 14 www-zeus.desy.de/publc