Kalorymetria - zasada dziaªania i przykªady detektorów 23 listopada 2015 r. Seminarium specjalistyczne IF UJ zyka do±wiadczalna V rok
Plan seminarium: 1 Wst p 2 Kalorymetry elektromagnetyczne 3 Kalorymetry hadronowe 4 Kalibracja kalorymetrów 5 Kalorymetry kriogeniczne 6 Przykªady kalorymetrów
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
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)
Produkcja par Straty energii wynosz : de = b (A,Z,E) E (3) dx Foton musi mie minimaln energi 1.022 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)
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)
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
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
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
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
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
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 2000-2003 zarejestrowano 70 elektronów o energiach z zakresu (300 800) GeV z nieznanego ¹ródªa (by mo»e pulsaru) oddalonego o co najwy»ej 3000 lat ±wietlnych.
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
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
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
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
Wzbudzenie j dra Wzbudzone j dro emituje cz stki dopóki pozostaªa energia jest wi ksza od energii wi zania Typowy czas wy±wiecania to 10 18 s
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
Kaskada elektromagnetyczna jako cz ± kaskady hadronowej Neutralne piony to okoªo 1/3 wszystkich pionów produkowanych w nieelastycznych zderzeniach Rozpadaj si one z czasem»ycia 10 16 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 (0.8 0.85)
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
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
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±
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)
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.
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
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.
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 ( 4 10 5,3 10 3) ev W bardzo niskich temperaturach cz stki mog produkowa du» liczb fononów lub zrywa pary Coopera.
Kalorymetry kriogeniczne 1 Detekcja quasi-cz stek w superprzewodnikach lub krysztaªach 2 Detekcja fononów w izolatorach
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.
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
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
Poszukiwanie WIMPsów
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
Detektor Belle - kalorymetr energetyczny
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
Detektor Belle - kalorymetr energetyczny
Compact Muon Solenoid
CMS-kalorymetr elektromagnetyczny Skªada si z 80000 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
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
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
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
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_.e2.80.93_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