Detektory cz"stek. Eksperymenty

Transkrypt

1 Detektory cz"stek! Przekrój czynny! Procesy u#yteczne do rejestracji cz"stek! Techniki detekcyjne! Detektory! Przyk!ady u#ycia ró#nych technik detekcyjnych Eksperymenty D. Kie!czewska, wyk!ad 3 1

2 Przekrój czynny Przekrój czynny σ jest miar" prawdopodobie$stwa oddzia!ywania. efektywna powierzchnia padaj"cej cz"stki [! ] = m 2 i centrum rozpraszaj"cego. We%my grubo&' tarczy dx tak, #eby centra nie przekrywa!y si(. Wtedy prawdop. oddz.: gdzie N liczba cz"stek padaj"cych # "! dn po wszystkich N = centrach = " $ n $ A $ dx -dn liczba cz"stek oddzia!uj"cych A powierzchnia obszaru oddz. A A n - koncentracja centrów na jednostk( obj(to&ci Dla sko$czonej grubo&ci tarczy L dostajemy po wyca!kowaniu po dx: a) liczba cz"stek, które nie oddzia!a!y N = N 0 e!n" L b) Liczba oddzia!ywa$: N oddz = N 0 ( 1! e!n" L )

3 Przekrój czynny c.d. Praktyczna jednostka: )rednia droga na oddzia!ywanie:! " x = 1 barn =10!28 m 2 % & 0 % & 0 xe #n$ x dx e #n$ x dx = 1 n$ d! de Ró#niczkowe przekroje czynne: Rozk!ady energii cz"stki wtórnej Rozk!ady k"ta emisji cz"stki wtórnej

4 Przechodzenie cz"stek na!adowanych przez materi( Cz"stka na!adowana: " w wyniku zderze$ z elektronami traci energi( na jonizacj( " w polu kulombowskim j!dra:! traci energi( na emisj( gamm! zmienia kierunek " wzbudza atomy scyntylacje promieniowanie hamowania wielokrotne rozpraszanie kulombowskie promieniowanie Czerenkowa D. Kie!czewska, wyk!ad 3 4

5 Wzór Bethego-Blocha straty radiacyjne Pr(dko&' cz"stki: Nie ma zale#no&ci od masy cz"stki! " #c Minimalne straty energii: D. Kie!czewska, wyk!ad 3 5

6 Cz"stka w polu kulombowskim j"dra Wielokrotne rozpraszanie kulombowskie )redni k"t odchylenia cz"stki: gdzie v i p to pr(dko&' i p(d cz"stki to d!ugo&' radiacyjna 1! = 4 X 0 " #! = 1 137! $ mc % & 2! Z(Z +1)' 3 nln 183 $ # & " % Z 1 3 Promieniowanie hamowania (bremsstrahlung) Na skutek emisji fotonu cz"stka traci energi( (straty radiacyjne): Straty radiacyjne proporcjonalne do: czyli wa#ne dla elektronów, mionów du#ych energii Powy#ej energii krytycznej E c straty radiacyjne przewy#szaj" straty na jonizacj(. D. Kie!czewska, wyk!ad 3 6

7 Straty energii elektronów Energia krytyczna: Dla elektronów: Dla cz"stek o masie m: np. dla mionów: D. Kie!czewska, wyk!ad 3 7 por. slajd 3

8 Emisja &wiat!a w wyniku wzbudze$ Scyntylacje: atomów W niektórych materia!ach zwanych scyntylatorami deekscytacja atomów prowadzi do emisji &wiat!a widzialnego,!atwego do detekcji. Np. w cienkim liczniku - krótki puls &wiat!a po przej&ciu cz"stki Emisja izotropowa, niezale#na od kierunku cz"stki Liczniki do pomiaru czasu rozdzielczo&ci czasowe < 0.5 ns Promieniowanie Czerenkowa: Koherentna emisja &wiat!a wywo!ana na!adowan" cz"stk" o pr(dko&ci wi(kszej ni# pr(dko&' &wiat!a w danym o&rodku Emisja kierunkowa D. Kie!czewska, wyk!ad 3 8

9 Promieniowanie Czerenkowa Liczba fotonów: cos! = ct / n "ct = 1 "n n wspó!czynnik za!amania np. w wodzie n=1.33 Praktycznie dla relat. cz"stki k"t sta!y pier&cienie Czerenkowa Detektory Czerenkowa sygnalizuj" cz"stki które przekraczaj" charakterystyczny dla nich próg pr(dko&ci (p(du). Umo#liwiaj" te# pomiar kierunku cz"stki. Dla relat. cz"stek sta!a liczba fotonów na jednostk( d!ugo&ci toru (dla wody ok. 200 fot/cm D. Kie!czewska, wyk!ad 3 9

10 Poch!anianie kwantów gamma Efekt fotoelektryczny Dla energii > 100 MeV sta!a d!ugo&' konwersji Nat(#enie wi"zki γ maleje wyk!adniczo: d!ugo&' radiacyjna Kreacja par Rozpraszanie Comptona: D. Kie!czewska, wyk!ad 3 10

11 Pomiar p(du cz"stek Na!adowana cz"stka w polu magnetycznym: Je&li jednocze&nie zmierzymy: to ze wzoru Bethego-Blocha mo#emy ustali' pr(dko&' cz"stki a w konsekwencji jej mas( czyli mo#emy j" zidentyfikowa'. D. Kie!czewska, wyk!ad 3 11

12 Identyfikacja cz"stek Pomiary w komorze TPC (time projection chamber) D. Kie!czewska, wyk!ad 3 12

13 Magnesy nadprzewodz"ce w detektorach (solenoidy) Eksperyment Pole mgt )rednica D!ugo&' Energia {Lab} (T) (m) (m) (MJ) CDF {Fermilab} DØ {Fermilab} BaBar {SLAC} ATLAS {CERN} CMS {CERN} D. Kie!czewska, wyk!ad 3 13

14 Detektory Zadania detektorów:! zmierzy' po!o#enie (tor) cz"stki! zmierzy' czas! zidentyfikowa' cz"stki! zmierzy' p(dy! zmierzy' energie Nie da si( tego zrobi' optymalnie w jednym typie detektora detektory wielowarstwowe D. Kie!czewska, wyk!ad 3 14

15 Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja j"drowa 1 µm Komora p(cherzykowa µm 1 µs 50 µs Kom. strymerowa (#RPC) 300 µm 2 µs (<0.5ns) 100 µs 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 Paski silikonowe <25 µm ograniczone przez elektronik D. Kie!czewska, wyk!ad 3 15

16 Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja j"drowa 1 µm Najlepsza przestrzenna zdolno&' rozdzielcza - ale bardzo powolny przegl"d pod mikroskopem Stosowana wyj"tkowo D. Kie!czewska, wyk!ad 3 16

17 Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy Komora proporcjonalna µm 2 ns 200 ns Wielodrutowe komory proporcjonalne: p!aszczyzny drutów anodowych w odl. 2mm wzmocnienie gazowe! 10 5 Kosztowne (kana!y elektron. do ka#dego drutu) zosta!y zast"pione przez komory dryfowe. D. Kie!czewska, wyk!ad 3 17

18 Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy Komora dryfowa µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~ µm ~200 ns ~2 s Przy dobrej czysto&ci gazu elektrony jonizacji mog" dryfowa' w polu elektrycznym do drutu anody na odleg!. do kilku metrów. Dryfuj" ze sta!" pr(dko&ci" i st"d czas ich przybycia mierzy odleg!o&' punktu od anody. W gazowych komorach typowe pr(dko&ci dryfu to: Ciek!y argon LAr u#ywany jest w komorach TPC z 3 wymiarow" rekonstrukcj" - patrz dalej... D. Kie!czewska, wyk!ad 3 18

19 Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy Scyntylator 100 ps 10 ns Np. kryszta!y NaI, lub organiczne ciecze lub p!ytki plastykowe Swiat!o za pomoc" &wiat!owodów do fotopowielaczy W typowym scyntylatorze fotonów na 1 cm toru na!adowanej cz"stki. Z powodu znakomitej czasowej zdolno&ci rozdzielczej stosowane do trygerowania lub pomiarów czasu przelotu (TOF). Mo#na pokaza', #e 2 cz"stki o tym samym p(dzie p i masach m 1 i m 2 pokonaj" odleg!o&' L z ró#nic" czasu: Czyli przy rozdzielczo&ci czasowej 100 ps rozró#nimy piony i kaony o p(dach do 3GeV/c je&li odl. >2.4m D. Kie!czewska, wyk!ad 3 19

20 Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy Paski silikonowe <10 µm ograniczone przez elektronik W mikro-paskach pó!przewodnikowych cz"stka na!adowana produkuje pary elektron dziura, które w polu elektr. zbierane s" na elektrodach. Znakomita przestrzenna rozdzielczo&' wykorzystywana jest w detektorach wierzcho!ka. Do produkcji 1 pary wystarczy depozyt energii 3-4 ev. D. Kie!czewska, wyk!ad 3 20

21 Kalorymetry u#ywane do pomiarów energii. W kalorymetrach jest materia! o krótkiej drodze na oddzia!ywania, co powoduje powstawanie kaskad cz"stek. Sygna! pochodzi z jonizacji przez cz"stki wtórne. Na ogó! uzywane s" oddzielne kalorymetry: elektro-magnetyczne hadronowe D. Kie!czewska, wyk!ad 3 21

22 Kaskady elektromagnetyczne prosty model kaskady Po odleg!o&ci równej kilku drogom radiacyjnym X 0 kaskada zamiera t= drogi radiacyjne X 0 Kalorymetry elektromagnetyczne budowane s" z materia!ów o ma!ej d!ugo&ci radiacyjnej Pb Fe X 0 (cm) D. Kie!czewska, wyk!ad 3 22

23 Kaskady elektromagnetyczne Kalorymetry elektromagnetyczne mog" zmierzy' energi( pocz"tkowego elektronu lub kwantu gamma :! E pocz =! i E i gdzie suma po wszystkich wtórnych elektronach D. Kie!czewska, wyk!ad 3 23

24 Kalorymetry hadronowe p Na ogó! gubimy energi( unoszon" przez neutrony. Czasem dodawany jest uran, z którym neutrony wywo!uj" rozszczepienie i cz(&c energii jest odzykana ( kalorymetry kompensuj"ce ) Rozmiar jest podyktowany &redni" drog" na oddzia!ywanie:! Np: dla Pb o g(sto&ci! = 11, 3 g cm 3 X 0 = 0.56 cm! = 12.4 cm D. Kie!czewska, wyk!ad 3 24

25 Kalorymetry Kalorymetr jednorodny ca!y obszar jest aktywny. Zwykle jest to materia! o ma!ej g(sto&ci i musi by' odpowiednio du#y. Kalorymetr próbkuj"cy - gorszy pomiar, ale mniejszy i ta$szy. Np. warstwy o!owiu i scyntylatora D. Kie!czewska, wyk!ad 3 25

26 Detektory warstwowe paski Si komora dryf. Kalorymetry elmgt s" mniejsze ni# hadronowe bo: D. Kie!czewska, wyk!ad 3 26

27 ! Przyk!ady u#ycia ró#nych technik detekcyjnych Eksperymenty D. Kie!czewska, wyk!ad 3 27

28 Detektor CDF w Fermilabie D. Kie!czewska, wyk!ad 3 28

29 Detektor ATLAS w LHC D. Kie!czewska, wyk!ad 3 29

30 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 30

31 CMS (Compact Muon Solenoid) D. Kie!czewska, wyk!ad 3 31

32 CMS detektor wierzcho!ka D. Kie!czewska, wyk!ad 3 32

33 SOLENOIDALNA CEWKA CMS D. Kie!czewska, wyk!ad 3 33

34 SOLENOIDALNA CEWKA CMS D. Kie!czewska, wyk!ad 3 34

35 Kalorymetr hadronowy - CMS D. Kie!czewska, wyk!ad 3 35

36 End cap detektora CMS D. Kie!czewska, wyk!ad 3 36

37 Przypadek w CMS - rekonstrukcja w p!aszczy%nie prostopad!ej do osi seminarium T. Fruboes, jesie$ 2010 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 37

38 seminarium T. Fruboes, jesie$ 2010 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 38

39 Produkcja kwarka top w CMS seminarium T. Fruboes, jesie$ 2010 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 39

40 Wielkie detektory Czerenkowa D. Kie!czewska, wyk!ad 3 40

41 Detektor Super-Kamiokande Wodny detektor wykorzystuj"cy zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys fotopowielaczy (PMT) o &rednicy 50 cm D. Kie!czewska, wyk!ad 3 41

42 Super-Kamiokande po odbudowie 2005/2006 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 42

43 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 43

44 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 44 copyright: Pawe! Przew!ocki

45 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 45

46 Rozpad protonu w SK p! e + + " 0 tylko symulacja! D. Kie!czewska, wyk!ad 3 46

47 Zatrzymuj"cy si( mion w Super-Kamiokande Ka#dy punkt to jeden PMT Kolory czas trafienia PMT poprawiony na czas przelotu z wierzcho!ka Energia obliczana z sumy foto-elektronów zarejestrowanych we wszystkich PMT! µ + N 1 " µ # + N 2 µ # " e # +!! e +! µ Oddz. neutrino bo brak sygna!u w detektorze zewn(trznym Czerwony pier&cie$ od elektronu z rozpadu mionu D. Kie!czewska, wyk!ad 3 47

48 Identyfikacja cz"stek elektrony, kwanty gamma: Rozmyty pier&cie$ bo elektrony z kaskady elmgt ulegaj" wielokrotnemu rozpraszaniu kulomb. miony, piony, protony: N 2 najcz(&ciej poni#ej progu Cherenkowa D. Kie!czewska, wyk!ad 3 48

49 SNO (Sudbury Neutrino Observatory) Detektor Czerenkowa wype!niony ci(#k" wod" " 1000 ton D 2 O " 2 km pod ziemi" (Kanada) " PMTs " 6500 ton H 2 O D. Kie!czewska, wyk!ad 3 49

50 SNO D. Kie!czewska, wyk!ad 3 50

51 Detektor OPERA Warstwy emulsji u#yte do precyzyjnej rekonstrukcji oddzia!ywa$ W sumie ok 40 ton emulsji Neutrina z CERNu do Gran Sasso (730km). "! 1 mm Plastic base #! zasi(g # >100µm Pb 200 tys cegie!ek: Emulsion layers 56 emulsion films / brick! D. Kie!czewska, wyk!ad 3 51

52 Kandydat na przyp. tau, VIII 2009 D. Kie!czewska, wyk!ad 3 52

53 Detektory TPC (Time Projection Chamber) - detektory projekcji czasowej - czyli komory dryfowe z 3-wymiarow" rekonstrukcj" D. Kie!czewska, wyk!ad 3 53

54 Electric Field Ionizing Track Drifting e - in LAr PMT UV Light Detektor ICARUS Detektor typu TPC z ciek!ym argonem. E 1 d d E 2 E 3 Collection Plane Screen Grid wire pitch Induction Plane Amplifier Charge Light T 0 Induction wire Signal (schematic) Waveform T drift T peak PMT Signal time D. Kie!czewska, wyk!ad 3 54

55 Detektor ICARUS W laboratorium podziemnym Gran Sasso Zbiornik wype!niony 300 tonami ciek!ego argonu (LAr). Elektrony dryfuj" do 1.5 m Pole elektryczne 500V/cm odleg!o&' mi(dzy drutami 3mm D. Kie!czewska, wyk!ad 3 55

56 ICARUS wyniki testu na powierzchni ziemi K+! µ+! e+! D. Kie!czewska, wyk!ad 3 56

57 Gazowy detektor TPC (Na61) D. Kie!czewska, wyk!ad 3 57

58 Gazowy detektor TPC D. Kie!czewska, wyk!ad 3 58