Introduzione ai rivelatori di particelle

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1 Introduzione ai rivelatori di particelle Parte 8 Identificazione delle particelle (PID) AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 1

2 Particle Identification Metodi basati sulla misure del momento p e di un altra variabile cinematica p= m 0 c se conosco p, misurando o ricavo m 0 Tempo di volo (TOF) Ionizzazione specifica (de/dx) Cherenkov Transition radiation Altri metodi topologia dello sciame in un calorimetro elettroni/adroni passaggio attraverso un assorbitore spesso muoni analisi cinematica dei decadimenti vertici e prodotti di decadimento secondari massa invariante AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 2

3 Identificazione con tempo di volo (TOF) TOF t L Δt = βc = pc 2 L t+ t E = c 2 p p 2 c 2 + m 2 c 4 = c p p 2 + m 2 c 2 L=base di volo t=tof Δt L = 1 c p 2 + m 2 c 2 = 1 p 2 c 1 + m2 c 2 p 2 per m2 c 2 p 2 << 1 vale 1 + m2 c 2 1+ m2 c 2 p 2 2 p 2 se ho due particelle con lo stesso momento e masse diverse m 1 e m 2 ottengo: Δt 1 Δt 2 = L c 1 + m 2 1 c 2 1 m 2 2p 2 2p 2 Δt 1 Δt 2 = Lc m p 2 1 m 2 ( ) Il tempo di volo dipende dalla differenza dei quadrati delle masse 2 c 2 AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 3

4 Identificazione con tempo di volo (TOF) Δt 1 Δt 2 = L c 2 misurando il tempo t in ns, L in metri, le masse in GeV/c 2, i momenti in GeV/c e ricordando che c 0.3m/ns: Δt 1 Δt 2 = L 1 2c m 1 2 m 2 2 ( ) p 2 m 2 2 ( 1 m 2 ) L 5 p 2 3 m 2 2 ( 1 m 2 ) p 2 la separazione in tempo tra due particelle diverse dipende da 1/p 2, al crescere del momento la base L deve crescere con p 2 a parità di separazione in tempo. Esempio: supponiamo di avere una risoluzione in tempo t =100 ps e voler considerare distinte le particelle con una distanza t 4 t. Quale è la distanza tra gli scintillatori per distinguere pioni da k di 1GeV/c? m k 0.5GeV /c 2 m π 0.14GeV /c 2 Δt k Δt π 5 m 2 2 ( 1 m 2 ) 0.4 ns m L 3 p 2 si ottiene una separazione di 400ps con una base di un metro. chiaramente separazioni con il metodo di misura del TOF sono utili con momenti relativamente bassi, o con differenze di massa grandi AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 4

5 Misure di TOF con scintillatori L Il tempo misurato dal rivelatore di TOF: dipende dalla distanza tra gli scintillatori e dalla velocità della particella ma dipende anche dal tempo di estrazione del segnale dallo scintillatore (velocità di propagazione della luce nel rivelatore) In particolare se gli scintillatori sono grandi e la traccia è inclinata l effetto può essere rilevante Si usano sistemi di mean-timer per ovviare a questo inconveniente AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 5

6 mean timer e tempo di volo (TOF) propagazione della luce nello scintillatore v = velocità della luce nello scintillatore t 2 t 0 x t 1 L t 1 = t 0 + x v t 2 = t 0 + L x v t 1 + t 2 = 2t 0 + L t v t = 1 + t 2 L v 0 2 t 2 t 1 = L v 2x v x = v L 2 v + t t 1 2 misurando il tempo da entrambi i lati si possono calcolare sia la posizione della traccia che il tempo di passaggio σ ( t) = 100ps σ ( t 1 t 2 ) = 150ps σ ( x) = v 2 σ ( t 1 t 2 ) = c cm buona risoluzione spaziale AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 6

7 Esempio:ALICE ad LHC: TOF con multigap RPC (t) 50ps separazione in massa per momenti fino a 3GeV/c (simulazione) AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 7

8 Identificazione con de/dx In generale come sottoprodotto della misura del momento in un rivelatore di tracce molti campioni sottili ( 1cm Ar) media di molte misure per traccia ma grandi fluttuazioni statistiche dovuta alle emissioni di elettroni (distribuzione di Landau) truncated mean : si migliora la risoluzione tagliando gli eventi sulle code 20 40% dei campioni a più alta ionizzazione risoluzioni dell ordine del 2 3% AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 8

9 truncated mean de/dx (unità arbitrarie) taglio inferiore per rimuovere il rumore taglio superiore per rimuovere le fluttuazioni risoluzione su de/ dx in funzione del taglio (minimo al 70%) AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 9

10 Cherenkov Cherenkov a soglia fissato l indice di rifrazione n, danno segnale le particelle con > min =1/n vetro, plexiglass: n=1.5» min =0.67, min = 1.37 acqua: n=1.33» min =0.75 min = 1.52 aerogel n= » min = , min = aria STP: n=1.0003» min =0.9997, min =41.2 in generale interessano particelle con grande gas nei gas n dipende dalla pressione» n 1+ p posso usare diversi gas e diverse pressioni per determinare la soglia in aerogel di silicio struttura porosa con moltissima aria n dipende dalla densità» n AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 10

11 schema Cherenkov a soglia specchio sferico gas radiatore dn dx = 1 2παz2 sin 2 θ C 1 λ 1 λ 1 per z =1, λ 1 = 400nm, λ 2 = 700nm dn dx = 490 cm sin2 θ C il numero di fotoni emessi dipende da sin 2 C, l emissione è maggiore per particelle molto sopra soglia si può aumentare il numero di fotoni andando in UV, ma l indice di rifrazione diminuisce con la frequenza AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 11

12 Cherenkov a soglia a parità di momento, hanno più grande le particelle con massa più piccola raggiungono la soglia di emissione Cerenkov prima gli elettroni, poi i,,k,p un rivelatore a soglia misura tutte le particelle sopra soglia p 1 p 2 <p 1 esempio, posso mettere due rivelatori in cascata, uno sopra soglia per e,,,k ed uno sopra soglia per e,, si può ottenere con gas a pressioni diverse se ottengo segnale dal primo ma non dal secondo ho identificato la particella come un K e NB funziona bene per momenti definiti, per ex per determinare la composizione di un fascio di particelle selezionato in momento K p AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 12

13 Imaging Cherenkov RICH (Ring Imaging Cherenkov) si ricostruisce la posizione dei singoli fotoni emessi dal raggio del cerchio e dalla distanza dal radiatore si risale all angolo e quindi alla 1 R R 2 radiatore Cherenkov sottile cosθ C = β = l l 2 + R = 1 2 nβ 1 ncosθ C = l2 + R 2 ln rivelatore di fotoni sensibile alla posizione proximity focusing: radiatore deve essere relativamente sottile per produrre un cerchio focalizzato piccolo numero di fotoni (tenendo conto anche dell efficienza quantica del rivelatore possibile confusione tra i cerchi se la densità di particelle è alta AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 13

14 imaging Cherenkov realizzazione di Delphi (LEP) due assorbitori diversi (liquido/gas) con indici di rifrazione diversi struttura proximity per il liquido e focusing per il gas rivelatore di fotoni comune in generale un convertitore fotoni elettroni (sottile strato di CsI) con un rivelatore a fili per misurare la posizione AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 14

15 PID in Delphi insieme delle misure di PID in Delphi (simulazione) è evidente il diverso range di applicazione dei metodi NB si è anche poi utilizzato il de/dx nel silicio del rivelatore di vertice AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 15

16 imaging Cherenkov DIRC: Detection of Internally Reflected Cherenkov light usato in BaBar a SLAC sfrutta la riflessione interna in guide di quarzo (radiatore) per conservare l angolo Cherenkov rivelatore esterno fotomoltiplicatori convenzionali AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 16

17 Transition Radiation Detectors Esempio di TRD (AMS) radiatore con molti strati molte transizioni di indice di rifrazione maggiore probabilità di emissione di un fotone (in genere X) rivelatore a gas con gas nobili pesanti migliore efficienza di rivelazione di fotoni X per effetto fotoelettrico TRD sensibile a adatto a discriminare elettroni veloci AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 17

18 identificazione dei muoni muoni identificati dalla penetrazione in spessi assorbitori calorimetri ferro di ritorno del campo magnetico associazione con tracce cariche nei rivelatori di traccia AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 18

19 Altri metodi di identificazione elettroni/fotoni rispetto ad adroni struttura dello sciame in un calorimetro neutrini interazioni deboli con produzione di particelle cariche in rivelatori molto massicci misura indiretta con la missing energy Esempio, evento di charged current in ZEUS e+p ν+jet e p possibile in un rivelatore ermetico AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 19