Detektory cząstek Procesy użyteczne do rejestracji cząstek Techniki detekcyjne Detektory Przykłady użycia różnych technik detekcyjnych Eksperymenty D. Kiełczewska, wykład 3 1
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 D. Kiełczewska, wykład 3 2
Wzór Bethego-Blocha straty radiacyjne 1 de MeV Minimalne straty energii: 1 2 ρ dx = min g 2 cm D. Kiełczewska, wykład 3 3
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 0 0 0 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. D. Kiełczewska, wykład 3 4
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 np. dla mionów: 24TeV E µ c D. Kiełczewska, wykład 3 Z5 por. slajd 3
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 D. Kiełczewska, wykład 3 6
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 D. Kiełczewska, wykład 3 7
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 1 σ λ Rozpraszanie Comptona: γ + e γ + e D. Kiełczewska, wykład 3 8
Pomiar pędu cząstek Naładowana cząstka w polu magnetycznym: p= 0.3 B R [ p] [ B] [ R] = GeV/c, = T, = m Jeśli jednocześnie zmierzymy: de dx to ze wzoru Bethego-Blocha możemy ustalić prędkość cząstki a w konsekwencji jej masę czyli możemy ją zidentyfikować. D. Kiełczewska, wykład 3 9
Identyfikacja cząstek Pomiary w komorze TPC (time projection chamber) D. Kiełczewska, wykład 3 10
Magnesy nadprzewodzące w detektorach (solenoidy) Eksperyment Pole mgt Średnica Długość Energia {Lab} (T) (m) (m) (MJ) CDF {Fermilab} 1.5 2.86 5.07 30 DØ {Fermilab} 2.0 1.06 2.73 5.6 BaBar {SLAC} 1.5 2.80 3.46 27 ATLAS {CERN} 2.0 2.5 5.3 700 CMS {CERN} 4.0 5.9 12.5 2700 D. Kiełczewska, wykład 3 11
Detektory Zadania detektorów: zmierzyć położenie (tor) cząstki zmierzyć czas zidentyfikować cząstki zmierzyć pędy zmierzyć energie Nie da się tego zrobić optymalnie w jednym typie detektora detektory wielowarstwowe D. Kiełczewska, wykład 3 12
Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa 10-150 µm 1 ms 50 ms Kom. strymerowa ( RPC) 300 µm 2 µs (<0.5ns) 100 ms Komora proporcjonalna 50-300 µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns Komora dryfowa 50-300 µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~175-450 µm ~200 ns ~2 µs Paski silikonowe <25 µm ograniczone przez elektronikę D. Kiełczewska, wykład 3 13
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 D. Kiełczewska, wykład 3 14
Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa 10-150 µm 1 ms 50 ms Kom. strymerowa ( RPC) 300 µm 2 µs (<0.5ns) 100 ms Komora proporcjonalna 50-300 µm 2 ns 200 ns - praktycznie już nieużywane w fizyce wielkich energii. Wielodrutowe komory proporcjonalne były kosztowne i zostały zastąpione przez komory dryfowe. Natomiast nowa wersja komory strymerowej jest RPC (Resistive Plate Chamber duży opór polepsza parametry) (były omawiane na wykładzie Wstęp do fizyki jądra i cząstek elem. ) D. Kiełczewska, wykład 3 15
Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa 10-150 µm 1 ms 50 ms Kom. strymerowa ( RPC) 300 µm 2 µs (<0.5ns) 100 ms Komora proporcjonalna 50-300 µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns W typowym scyntylatorze 10000 fotonów na 1 cm toru naładowanej cząstki. Z powodu znakomitej czasowej 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 D. Kiełczewska, wykład 3 16 2
Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa 10-150 µm 1 ms 50 ms Kom. strymerowa RPC 300 µm 2 µs (<0.5ns) 100 ms Komora proporcjonalna 50-300 µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns Komora dryfowa 50-300 µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~175-450 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... D. Kiełczewska, wykład 3 17
Typowe własności różnych detektorów Typ detektora Zdolność Zdolność Czas przestrz. czasowa martwy Emulsja 1 µm Komora pęcherzykowa 10-150 µm 1 ms 50 ms Kom. strymerowa RPC 300 µm 2 µs (0.5ns) 100 ms Komora proporcjonalna 50-300 µm 2 ns 200 ns Scyntylator 100 ps 10 ns Komora dryfowa 50-300 µm 2 ns 100 ns Komora dryfowa LAr ~175-450 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. D. Kiełczewska, wykład 3 18
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 D. Kiełczewska, wykład 3 19
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=0 1 2 3 drogi radiacyjne X 0 Pb Fe X 0 (cm) 0.56 1.8 D. Kiełczewska, wykład 3 20
Kaskady elektromagnetyczne Kalorymetry elektromagnetyczne mierzą również energię kwantów γ D. Kiełczewska, wykład 3 21
Kalorymetry hadronowe p 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 D. Kiełczewska, wykład 3 22
Kalorymetry Kalorymetr 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 D. Kiełczewska, wykład 3 23
Detektory warstwowe Kalorymetry elmgt są mniejsze niż hadronowe bo: X < λ 0 oddz D. Kiełczewska, wykład 3 24
Przykłady użycia różnych technik detekcyjnych Eksperymenty D. Kiełczewska, wykład 3 25
D. Kiełczewska, wykład 3 26
Zadanie P4 na II Pracowni: Badanie rozpadów Z 0 w eksperymencie Delphi D. Kiełczewska, wykład 3 27
Detektor CDF w Fermilabie D. Kiełczewska, wykład 3 28
Odkrycie kwarka top w detektorze D0 D. Kiełczewska, wykład 3 29
D. Kiełczewska, wykład 3 30
D. Kiełczewska, wykład 3 31
Detektor ATLAS w LHC D. Kiełczewska, wykład 3 32
D. Kiełczewska, wykład 3 33
CMS (Compact Muon Solenoid) D. Kiełczewska, wykład 3 34
CMS detektor wierzchołka D. Kiełczewska, wykład 3 35
SOLENOIDALNA CEWKA CMS D. Kiełczewska, wykład 3 36
SOLENOIDALNA CEWKA CMS D. Kiełczewska, wykład 3 37
Kalorymetr hadronowy - CMS D. Kiełczewska, wykład 3 38
End cap detektora CMS D. Kiełczewska, wykład 3 39
Wielkie detektory Czerenkowa D. Kiełczewska, wykład 3 40
Detektor Super-Kamiokande Wodny detektor wykorzystujący zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys fotopowielaczy (PMT) o średnicy 50 cm D. Kiełczewska, wykład 3 41
Super-Kamiokande po odbudowie 2005/2006 D. Kiełczewska, wykład 3 42
D. Kiełczewska, wykład 3 43
D. Kiełczewska, wykład 3 44 copyright: Paweł Przewłocki
D. Kiełczewska, wykład 3 45
Rozpad protonu w SK tylko symulacja! D. Kiełczewska, wykład 3 46
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 D. Kiełczewska, wykład 3 47
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: D. Kiełczewska, wykład 3 48
SNO (Sudbury Neutrino Observatory) Detektor Czerenkowa wypełniony ciężką wodą 1000 ton D 2 O 2 km pod ziemią (Kanada) 10 4-8 PMTs 6500 ton H 2 O D. Kiełczewska, wykład 3 49
SNO D. Kiełczewska, wykład 3 50
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 D. Kiełczewska, wykład 3 51
Detektory TPC (Time Projection Chamber) - detektory projekcji czasowej - czyli komory dryfowe z 3-wymiarową rekonstrukcją D. Kiełczewska, wykład 3 52
Electric Field Ionizing Track Drifting e - in LAr PMT UV Light Detektor ICARUS Detektor typu TPC z ciekłym 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. Kiełczewska, wykład 3 53
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 D. Kiełczewska, wykład 3 54
ICARUS wyniki testu na powierzchni ziemi K K+ µ+ e+ + + ν µ µ + + µ e ν ν e µ x (cm) 320 315 K + 310 305 300 µ + 295 e + 290 210 y(cm) 215 1174 1172 220 1170 1178 1176 1180 z (cm) D. Kiełczewska, wykład 3 55
Gazowy detektor TPC (Na61) D. Kiełczewska, wykład 3 56
Gazowy detektor TPC D. Kiełczewska, wykład 3 57