Detektory cząstek. Procesy użyteczne do rejestracji cząstek Techniki detekcyjne Detektory Eksperymenty. D. Kiełczewska, wykład 3

Transkrypt

1 Detektory cząstek Procesy użyteczne do rejestracji cząstek Techniki detekcyjne Detektory Eksperymenty

2 Przechodzenie cząstek naładowanych przez materię Cząstka naładowana: traci energię przez zderzenia z elektronami zmienia kierunek w polu kulombowskim jądra de dx wielokrotne rozpraszanie kulombowskie wzbudza atomy scyntylacje promieniowanie hamowania promieniowanie Czerenkowa

3 Wzór Bethego-Blocha Minimalne straty energii: 1 de MeV 1 2 ρ dx = min g 2 cm

4 Cząstka w polu kulombowskim jądra Wielokrotne rozpraszanie kulombowskie Średni kąt odchylenia cząstki: 13.6 MeVz θ = v p x X 0 gdzie X 0 v i p to prędkość i pęd cząstki Promieniowanie hamowania (bremsstrahlung) to długość radiacyjna charakterystyczna dla Z ośrodka 1 X 0 ZZ+ ( 1) Na skutek emisji fotonu cząstka traci energię (straty radiacyjne): de = E E = E exp( x ) dx X X Straty radiacyjne proporcjonalne do: E m 2 czyli ważne dla elektronów, mionów dużych energii Powyżej energii krytycznej E c straty radiacyjne przewyższają straty na jonizację.

5 Straty energii elektronów Energia krytyczna: Dla elektronów: E c 600 MeV Z Dla cząstek o masie m: E m c 2 m = E me c E c

6 Emisja światła w wyniku wzbudzeń Scyntylacje: atomów W niektórych materiałach zwanych scyntylatorami deekscytacja atomów prowadzi do emisji światła widzialnego, łatwego do detekcji. Krótki puls światła po przejściu cząstki Emisja izotropowa, niezależna od kierunku cząstki Liczniki do pomiaru czasu rozdzielczości czasowe < 0.5 ns Promieniowanie Czerenkowa: Koherentna emisja światła wywołana naładowaną cząstką o prędkości większej niż prędkość światła w danym ośrodku Emisja kierunkowa

7 Promieniowanie Czerenkowa Liczba fotonów: 2 dnγ 2πα z 1 = 1 dxde hc β n 2 2 ct / n 1 cosθ = = βct βn n współczynnik załamania np. w wodzie n=1.33 β > θ 42 Praktycznie dla relat. cząstki kąt stały pierścienie Czerenkowa Detektory Czerenkowa sygnalizują cząstki które przekraczają charakterystyczny dla nich próg prędkości (pędu). Umożliwiają też pomiar kierunku cząstki. 1 n Dla relat. cząstek stała liczba fotonów na jednostkę długości toru (dla wody ok. 200 fot/cm

8 Pochłanianie kwantów gamma Efekt fotoelektryczny Dla energii > 100 MeV stała długość konwersji λ I I exp x = 0 λ λ = 9 7 X 0 X 0 długość radiacyjna Kreacja par γ + ee Rozpraszanie Comptona: γ + e γ + e

9 Pomiar pędu cząstek Naładowana cząstka w polu magnetycznym: p= 0.3 B R [ p] [ B] [ R] = GeV/c, = T, = m Jeśli jednocześnie zmierzymy energię lub prędkość cząstki to możemy ją zidentyfikować (ustalić jej masę)

10 Identyfikacja cząstek Pomiary w komorze TPC (time projection chamber)

11 Magnesy nadprzewodzące w detektorach (solenoidy) Experyment{Lab} Pole mgt Średnica Długość Energia (T) (m) (m) (MJ) CDF{Fermilab} DØ {Fermilab} BaBar{SLAC} ATLAS{CERN CMS{CERN

12 Detektory Zadania detektorów: zmierzyć położenie zmierzyć czas zidentyfikować cząstki zmierzyć pędy zmierzyć energie Nie da się tego zrobić optymalnie w jednym typie detektora detektory wielowarstwowe

13 Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa µm 1 ms 50 ms Komora strymerowa 300 µm 2 µs 100 ms Komora proporcjonalna µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns Komora dryfowa µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~ µm ~200 ns ~2 µs Silicon strip <25 µm ograniczone przez elektronikę

14 Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Najlepsza przestrzenna zdolność rozdzielcza - ale bardzo powolny przegląd pod mikroskopem Stosowana wyjątkowo

15 Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa µm 1 ms 50 ms Komora strymerowa 300 µm 2 µs 100 ms Komora proporcjonalna µm 2 ns 200 ns -praktycznie już nieużywane w fizyce wielkich energii. Wielodrutowe komory proporcjonalne były kosztowne i zostały zastąpione przez komory dryfowe. (były omawiane na wykładzie Wstęp do fizyki jądra i cząstek elem. )

16 Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa µm 1 ms 50 ms Komora strymerowa 300 µm 2 µs 100 ms Komora proporcjonalna µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns W typowym scyntylatorze fotonów na 1 cm toru naładowanej cząstki. Z powodu znakomitej zdolności rozdzielczej stosowane do trygerowania lub pomiarów czasu przelotu (TOF). Można pokazać, że 2 cząstki o tym samym pędzie p i masach m 1 i m 2 pokonają odległość L z różnicą czasu: Czyli przy rozdzielczości czasowej 100 ps rozróżnimy piony i kaony o pędach do 3GeV/c jeśli odl. >2.4m t 2 2 ( 1 2) L m m c 2 p 2

17 Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa µm 1 ms 50 ms Komora strymerowa 300 µm 2 µs 100 ms Komora proporcjonalna µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns Komora dryfowa µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~ µm ~200 ns ~2 s Elektrony jonizacji dryfują w polu elektrycznym do drutu anody ze stałą prędkością i stąd czas ich przybycia mierzy odległość punktu od anody. W gazowych komorach typowe prędkości dryfu to: 5 m v=10 Ciekły argon LAr używany jest w komorach TPC s z 3 wymiarową rekonstrukcją - patrz dalej...

18 Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa µm 1 ms 50 ms Komora strymerowa 300 µm 2 µs 100 ms Komora proporcjonalna µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns Komora dryfowa µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~ µm ~200 ns ~2 s Paski silikonowe <25 µm ograniczone przez elektronikę W mikro-paskach półprzewodnikowych cząstka naładowana produkuje pary elektron dziura, które w polu elektr. zbierane są na elektrodach. Znakomita przestrzenna rozdzielczość wykorzystywana jest w detektorach wierzchołka.

19 Kalorymetry używane do pomiarów energii. W kalorymetrach jest materiał o krótkiej drodze na oddziaływania, co powoduje powstawanie kaskad cząstek. Sygnał pochodzi z jonizacji przez cząstki wtórne. Na ogół uzywane są oddzielne kalorymetry: elektro-magnetyczne hadronowe

20 Kaskady elektromagnetyczne prosty model kaskady - e - e γ - e + e γ e + + e γ γ - e γ - e Po odległości równej kilku drogom radiacyjnym X 0 kaskada zamiera ( ) ln E/ E t max = c ln 2 Kalorymetry elektromagnetyczne budowane są z materiałów o małej długości radiacyjnej t= drogi radiacyjne X 0 Pb Fe X 0 (cm)

21 Kaskady elektromagnetyczne Kalorymetry elektromagnetyczne mierzą również energię kwantów γ

22 Kalorymetry hadronowe Na ogół gubimy energię unoszoną przez neutrony. Czasem dodawany jest uran, z którym neutrony wywołują rozszczepienie i częśc energii jest odzykana (kalorymetry kompensujące ) Rozmiar jest podyktowany średnią drogą na oddziaływanie

23 Kalorymetry Kalorymter jednorodny cały obszar jest aktywny. Zwykle jest to materiał o małej gęstości i musi być odpowiednio duży. Kalorymetr próbkujący - gorszy pomiar, ale mniejszy i tańszy. Np. warstwy ołowiu i scyntylatora

24 Detektory warstwowe Kalorymetry elmgt są mniejsze niż hadronowe bo: X < λ 0 oddz

25

26

27

28 Detektor CDF w Fermilabie

29 Odkrycie kwarka top w detektorze D0

30

31

32 Detektor ATLAS w LHC

33

34 SOLENOIDALNA CEWKA CMS

35 SOLENOIDALNA CEWKA CMS

36 SOLENOIDALNA CEWKA CMS

37 Kalorymetr hadronowy - CMS

38 End cap detektora CMS

39 Detektor Super-Kamiokande Wodny detektor wykorzystujący zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys fotopowielaczy (PMT) o średnicy 50 cm

40 Super-Kamiokande po odbudowie 2005/2006

41

42 copyright: Paweł Przewłocki

43

44 Zatrzymujący się mion w Super-Kamiokande Każdy punkt to jeden PMT Kolory czas trafienia PMT poprawiony na czas przelotu z wierzchołka Energia obliczana z sumy foto-elektronów zarejestrowanyc we wszystkich PMT Oddziaływanie neutrino bo brak sygnału w detektorze zewnętrznym Czerwony pierścień od elektronu z rozpadu mionu

45 Identyfikacja cząstek elektrony, kwanty gamma: Rozmyty pierścień bo elektrony z kaskady elmgt ulegają wielokrotnemu rozpraszaniu kulomb. ν e + N1 e+ N2 ν + N µ + N µ 1 2 miony, piony, protony:

46 SNO (Sudbury Neutrino Observatory) Detektor Czerenkowa wypełniony ciężką wodą 1000 ton D 2 O 2 km pod ziemią (Kanada) PMTs 6500 ton H 2 O

47 SNO

48 Detektor OPERA Warstwy emulsji użyte do precyzyjnej rekonstrukcji oddziaływań ν τ W sumie ok 40 ton emulsji Neutrina z CERNu do Gran Sasso (730km). ν 1 mm Plastic base τ zasięg τ >100µm Pb 56 emulsion films / brick 200 tys cegiełek: Emulsion layers

49 Electric Field Ionizing Track PMT UV Light Detektor ICARUS Drifting e - in LAr Detektor typu TPC (Time Projection Chamber) E 1 Komora dryfowa z 3-wym. rekonstrukcją d E 2 Screen Grid wire pitch Induction Plane Charge Induction wire Signal (schematic) Waveform d E 3 Collection Plane Amplifier Light T 0 T drift T peak PMT Signal time

50 Detektor ICARUS W laboratorium podziemnym Gran Sasso Zbiornik wypełniony 300 tonami ciekłego argonu (LAr). Elektrony dryfują do 1.5 m Pole elektryczne 500V/cm odległość między drutami 3mm

51 ICARUS wyniki testu na powierzchni ziemi K K+ µ+ e+ + + ν µ µ + + µ e ν ν e µ x (cm) K µ e y(cm) z (cm)

52 Gazowy detektor TPC