Tecniche di rivelazione di particelle (II)

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1 Tecniche di rivelazione di particelle (II) I contatori a scintillazione I sistemi calorimetrici Identificazione di particella Schema di apparato generale Stefano Miscetti LNF INFN Frascati 1

2 Una particella carica, attraversando uno scintillatore, perde energia eccitando gli atomi del materiale. Questi ultimi, diseccitandosi, emettono luce visibile (detta luce di scintillazione). Rivelatori a scintillazione Scintillatori inorganici (NaI, CsI, BGO, BaF2) sono cristalli ionici drogati con impurità - alta efficienza di scintillazione 1γ/ ev - elevata densità (rivelatori compatti) 4-5 g/cm 2 - tempi di emissione elevati ( ns) - possono essere igroscopici ed avere la risposta dipendente dalla temperatura Scintillatori organici (BC102, POPOP,... ) sono complesse molecole organiche (tipicamente solute in opportune basi plastiche) in cui si ha emissione di luce UV in seguito all eccitazione di livelli molecolari. Si aggiungono poi altre molecole (wave length shifter) per trasferire la luce nel visibile: - tempi di emissione rapidi ( ns) - minor risposta luminosa 1γ/ 400 ev Tipi di scintillatori 2

3 Raccolta di luce, fotomoltiplicatori = contatori Example of a simple scintillator counter In un rivelatore a scintillatore la luce visibile prodotta viene trasportata verso un apparecchio (fotomoltiplicatore, fotodiodo) che la converte in un segnale elettrico. fotomltiplicatore 3

4 Fotomoltiplicatori (examples) photon photocathode photoelectron 100 volts 100 volts 100 volts 100 volts 100 volts 100 volts evacuated tube 4

5 Gli scintillatori si realizzano anche sotto forma di fibra ottica. La fibra è costituita da: un nucleo scintillante interno detto core costituito da materiale plastico (polistirene) opportunamente drogato. Indice di rifrazione: n 1 = 1.6. Un rivestimento trasparente detto cladding costituito di plexiglass. Indice di rifrazione: n 2 = 1.5 Le fibre scintillanti La luce prodotta in un cono di 21 si propoga per riflessione totale entro la fibra. - 3% raccolta - buona qualità (fluttuazioni temporali, attenuazione) cladding core particella θ TR = 21 θ TR = 21 aria 36 5

6 Calorimetri I calorimetri assorbono l energia della particella incidente E e rilasciano un segnale ad essa proporzionale: Svolgono un ruolo rilevante e complementare alla tracciatura per la loro versatilità di uso e per il fatto che la risoluzione migliora all aumentare dell energia della particella! Si dividono in due categorie: - Omogenei ( tutto il materiale è sia assorbitore che attivo ) - Eterogenei ( è costituito da strati alternati di assorbitore e attivo ) Si dividono in calorimetri elettromagnetici (EM) o adronici (HAD) in funzione della capacità di rivelare γ, π 0 o adroni (n, p, π ±, K) γ, π 0 n, p, π ±, K EM HAD Le dimensioni dei calorimetri HAD sono maggiori di quelli EM in quanto λ int > X 0!! 6

7 Calorimetri Elettromagnetici (I): sciami I calorimetri elettromagnetici sono i più semplici da comprendere in quanto il fotone e l elettrone che incidono creano degli sciami nel materiale il cui comportamento è oggi completamente descritto da simulazioni dettagliate al computer (EGS4). Lead atom Massimo sciame Coda sciame de/dt = E 0 ct α exp(-βt) t = X/X 0 7

8 Un esempio di sciame simulato con Geant4 8

9 Calorimetri EM (II): modello semplice di sciami Lo sciame è creato da e +, e che emettono γ per BREMS e γ che creano coppie e +, e Questi processi avvengono a distance di 1 X 0 In ogni processo E = E i / 2 Alla distanza X abbiamo n processi avvenuti con: n = X/X o E s = E 0 /2 n N s = 2 n La valanga si ferma ad E s = E c Ec! 610MeV Z Massimo dello t max = ln (E 0 /E c ) / ln 2 Xo, Nmax = 2(Eo/Ec) Lo sciame procede poi con processi dissipativi tipo ionizzazione, effetto Compton o fotoelettrico. Si forma così la coda dello sciame 9

10 Sviluppo longitudinale dello sciame Profilo longitudinale dello sciame in funzione dell energia. Il massimo dello sciame varia come ln(e) Per la scelta dell assorbitore, occorre vedere quante X 0 sono necessarie per assicurarci il contenimento dello sciame. 10

11 Sviluppo trasversale dello sciame Lo sviluppo dello sciame comporta anche un allargamento laterale della cascata dovuto allo scattering multiplo degli elettroni e ai fotoni di bassa energia nel range Compton. Per descrivere l allargamento si definisce: Raggio di Moliere R M = 21 MeV 2 X 0 [ g / cm ] E c ( MeV ) 75% E 0 in 1R M ; 95% in 2R M ; 99% in 3.5R M 11

12 I calorimetri omogenei Calorimetri composti solo di componente attiva Fotodiodo Segnale elettrico Fotoni dello sciame e.m. Crystal (BGO, PbWO 4, ) Questi cristalli sono usati anche in altri campi, in particolare in campo medico perchè permettono alte risoluzioni per fotoni di bassa energia (PET) 12

13 I calorimetri eterogenei Struttura a sandwich!! Strati di assorbitore e materiale attivo intervallati: Facilità di montaggio Costi ridotti Alta versatilità in - granularità di lettura - componente attiva Materiali assorbenti Densi ad alto Z: PB, W... Rivelatori di particelle cariche, scintillatori, camere proporzionali, camere a ionizzazione (Kr, Xe), fibre scintillanti 13

14 Risoluzione Energetica: limite intrinseco Detectable signal is proportional to the total track length of e+ and e- in the active material, intrinsic limit on energy resolution is given by the fluctuations in fraction of initial energy that generates detectable signal E 0 0 N tot! Total track length T 0 = N totx0! X0 E EC C E Detectable track length T r = f s T 0 f s fraction of N tot with E > E s Fluctuations in track length: Poisson process ( E) "( T ) " E! T r r! 1 T r! 1 E 0 Fix E 0 ( E) " E! 1 f s E X C 0! 1 f s Z A maximize f s minimize Z/A 14

15 EM calorimeters: energy resolution Homogeneous calorimeters: all the energy is deposited in an active medium. Absorber active medium All e+e- over threshold produce a signal Excellent energy resolution Compare processes with different energy threshold Scintillating crystals E " 10 s "! 2! / E ~ (1 E 10 gap 4 3)% / ~ ev! / MeV E( GeV) Cherenkov radiators " > 1 n! E " 10 30!! / E ~ (10 s 5)% / ~ 0.7MeV / MeV E( GeV) Lowest possible limit 15

16 Risoluzioni energetiche La risoluzione energetica di un calorimetro può essere parametrizzata come: ( E) " a b =!! c! Sta per somma in quadratura E E E -a termine stocastico: fluttuazioni intrinseche dello sciame fluttuazioni di campionamento -b termine di rumore rumore elettronico pileup fluttuazioni energetiche dovute ad altre sorgenti -c termine costante non uniformità nella produzione e raccolta del segnale stabilita della calibrazione leakage 16

17 Classic EM calorimeters: energy resolution 0.1 Crystal Ball sampling calorimeters ALEPH resolution (%) 0.01 CLEO II crystal calorimeters L3 UA Energy (GeV) 17

18 Eccellente risoluzione energetica? Una motivazione Natural width (GeV) Higgs Mass (GeV) LEP L3 H γγ LHC H ZZ * 4 leptons H ZZ 4 leptons H WW or ZZjj LEP observed an excess of events around 115 GeV Only precision in γ detection will tell a peak (H γγ signal) from a huge background 18

19 Il calorimetro ECAL di CMS PWO crystals APD read out (gain 50) Eγ range 1 GeV 1 TeV PWO: PbWO 4 about 10 m 3, 80 ton Again a change of scale! L3 was 1 m 3 Main technological challanges faced by ECAL-CMS: Development a suitable radiation hard crystal (PWO new scintillator) Light read-out in strong magnetic field (Avalanche Photo Diode new PD) Development of radiation resistant devices Production, test and assembly of crystals 19

20 ECAL di CMS: prestazioni 20

21 Il futuro della calorimetria a cristalli.. LSO = Ortosilicato di Luttezio, denso, veloce e con alta intensita di luce PM readout APD readout ~10% FWHM resolution for 22 Na source (0.51 MeV) 1,200 p.e./mev, 5/230 times of BGO/PWO L.O.: 1,500 p.e./mev, 4/200 times of BGO/PWO Readout Noise: <40 kev Less demanding to the environment because of small temperature coefficient. Radiation damage is less an issue as compared to other crystals. A better energy resolution, s(e)/e, at low energies than L3 BGO and CMS PWO because of its high light output and low readout noise: % / E! 0.55%! /E / E 21

22 Un esempio di EMC a campionamento fine: KLOE Active material: 1.0 mm diameter scintillating fiber High sampling structure: 200 layers of 0.5 mm grooved lead foils Lead:Fiber:Glue volume ratio = 42:48:10 Calorimeter thickness = 23 cm Total scintillator thickness ~ 10 cm Lead 1.0 mm 1.35 mm 1.2 mm Lead-Scintillating Fiber Calorimeter with excellent timing performance. 24 barrel modules, 4m long + C-shaped End-Caps covering 98% of solid angle. Time res: σ T = 54 ps / E(GeV) 50 ps. Energy res: σ E /E = 5.7% / E(GeV) 22

23 Calorimetri Adronici I calorimetri adronici sono molto più complicati di quelli EM perchè gli sciami creati dagli adroni nel materiale non sono perfettamente descrivibili. Difatti in uno sciame adronico troviamo: 1) complicata produzione di secondari 2) presenza di componente elettromagnetica per creazione di π 0 f em (E) 0.11 ln(e) 3) neutrini e muoni da decadimenti deboli di π, Κ 4) processi nucleari Oltre ai fenomeni di campionamento e raccolta segnale questi calorimetri mostrano un limite intrinsico nella risoluzione causato dalle fluttuazioni in energia non rivelata (3)+(4). 23

24 Risoluzione dei calorimetri adronici: e/h Uno dei limiti alla risoluzione e risposta dei calorimetri adronici e legata alla diversità nella risposta tra elettroni e adroni - Ee ed Eh compenenti elettromagnetica e adronica della sciame da adroni - e ed h risposta del calorimetro alle singole componenti (in generale e>>h) - La risposta del calorimetro allo sciame è: Rh=eEe+hEh - Dato che la frazione elettromagnetica varia con energia.. if e/h diverso da 1 NON LINEARITA + peggior risoluzione energetica.. in particolare per jets e > h e = h R h R h I calorimetri adronici con migliore risoluzione e linearità sono quelli con e/h = 1 in cui σ/e = % E(GeV) vs % 24

25 Es. calorimetro adronico (comp. HW): CHORUS CHORUS: esperimento per lo studio dell oscillazione del neutrino Spaghetti calorimetro: sampling di piombo e fibre scintillanti, con risposta equalizzata per elettroni e adroni " E E = E 32% ( GeV )! 1.4% In questo tipo di calorimetri si ha compensazione regolando la risposta elettromagnetica (Wigmans) Vpb/Vsci=4/1. Le prime tecniche di compensazione usavano invece degli strati di uranio per aumentare la componente adronica (Fabjan, es. ZEUS). Questo però comporta delle fluttuazioni intrinseche della risposta maggiori e quindi una peggiore risoluzione.

26 Es. calorimetro adronico (comp. SW): TileCal Calorimetro a sampling formato da strati alternati di piastrelle di scintillatore incassate in una matrice di ferro. " E = 41.9% E! 1.8 ( GeV ) E( GeV )! 1.8% Linearità < 2% e/h = 1.4 Questo tipo di calorimetro consente di avere una buona segmentazione: - possibilità di compensazione SW evento per evento 26

27 Futuri sviluppi calorimetria adronica: ILC MJJ 27

28 Particle flow and high granularity calorimetry.. P-flow: Altissima granularita di lettura nel calorimetro. Usare in congiunzione il tracker interno per riconoscere ogni particella e correggere software con il momento. EM calorimeter proposed with W/Si readout with O( cm^2) silicon pads for a total of > 10^7 channels! Calorimeter tracker! 28

29 High granularity hadronic calorimeter A crucial technology improvement to calorimetry Single tile readout with SiPM 1 mm2 3x3 cm2 1x1m² prototype calorimeter with 8000 channels readout with SiPM (MePHI/Pulsar) Single Pixel MIP Light Yield = 15 pixels / MIP Dynamic range ~ 100 MIPs!! auto-calibration of SiPM gain from single-pixel spectra 100x100 cm2 Allows unprecedented high granularity 38 layers (~4.5 λ) Scintillator Steel sandwich structure (0.5:2cm) 15 pe/mip vs 8 pe/mip LCCAL w 5 mm 29

30 SIPM: fotomoltiplicatori al silicio CMS ECAL Crystal with Hamamatsu APD Hamamatsu PM tube No photo-detector PM tube SiPM Advantages of semiconductor technique: reduced size low operation voltage ~ 100 V magnetic field insensitive!!! robust cheap can perform single photon counting speed 30

31 The other way out for had calorimetry: DREAM - compensazione e/h ottenuta con DREAM == Dual Readout Module - luce cherenkov per elettroni e luce scintillazione per il resto permettono di eliminare fluttuazioni em nello sciame adronico -TREAM.. Leggere anche risposta per neutroni con altre fibre per compensare risposta neutroni.. goal 15-20%/sqrt(E)! - high quality calorimetry for all particles calibrated with electrons

32 Identificazione delle particelle (I) Tempo di volo Δt per L = 1 m Se si dispone di un rivelatore con buona risoluzione temporale e per tragitti (L) della particella abbastanza elevati... t = L βc Start Stop σ t = 300 ps separazione p/k fino ad 1 GeV/c Perdita di energia Sfruttando la differenza di perdita di Energia de/dx per particelle cariche in un gas e utilizzando molte misure di carica > 40 (media troncata) si riescono ad ottenere buone separazioni di particella fino ad 1 GeV P(GeV) ALEPH TPC risoluzione de/dx 5% 32

33 Identificazione delle particelle: (II) L effetto Cherenkov consiste nell'emissione di radiazione elettromagnetica (luce) da parte di una particella in moto ad una velocità superiore alla velocità della luce nel mezzo attraversato. Analogia con un aereo che supera la barriera del suono (1238 km/h) Misurando l angolo del cono di luce si ricava la velocità della particella 33

34 Identificazione delle particelle (III) Effetto Cherenkov: le particelle cariche che avanzano in un materiale a velocità maggiore di quella della luce nel mezzo (β>1/n) producono della luce veloce per depolarizzazione del materiale. fronte d onda θ c cos θ c = 1 βn radiatore Cherenkov a soglia: specchio particelle PM Ring imaging e RICH: viene misuranto l angolo di apertura del cono DELPHI RICH 34

35 Struttura di un General purpose experiment 35

36 PID ad un General purpose experiment 36

37 Esempio di un apparato generale ATLAS Altezza 25 m Lunghezz a 46 m Peso 7000 ton Profondità 80 m Superficie rivelatori 6000 m 2 37

38 Conclusioni La storia e l utilizzazione dei rivelatori di particelle è senza fine la complessità e la dimensione degli esperimenti sta raggiungendo dei valori incredibili (rate degli eventi, dimensioni apparati, numero di collaboratori... ) --> considerazioni di carattere sociologico! Gli sviluppi dei rivelatori di particelle possono poi trovare applicazioni anche in campo medico vedi come esempio la PET 38

39 Bibliografia K. Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, 2nd edition, Cambridge University press R.Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics, 1st edition, Cambridge University Press W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, 2nd edition, Springer R.Wigman, Calorimetry: Energy measurement in particle physics, 1st edition, Oxford Science Publications S.Virde, Experimental techniques (CERN 99-04, 28-jul-09) Lezioni sui rivelatori (scuola INFN TO): The Review of Particle Physics (PL B667,1 (2008) 39

40 ADDITIONAL MATERIAL

41 Fluttuazioni di campionamento Le fluttuazioni di campionamento sono le fluttuazione della energia rivelata Ea. In un calorimetro eterogeneo si definisce frazione di campionamento, fs, la frazione di energia rivelata = Ea/Eo Se per ogni strato Ea<< Eabs il numero di particelle cariche che attraversano uno strato attivo e circa n = E/ ΔE(abs), con ΔE(abs) l energia persa da 1 MIP in abs. ΔE(abs)= d <de/dx> ---> quindi σe/e = sqrt(n)/n = sqrt(δe(abs) /E) Questa regola viene modificata quando d e piccolo (correlazione Tra crossing di strati consecutivi) Parametrizzazione semiempiriche per calo EM - 3.2% SQRT(DE/E) - 2.7%sSQRT(d/fsamp) 41

42 Scintillazione nei cristalli y g r e n E ground state h" ex h" em excited state relaxation B C!E a PbWO 4 : λ excit =300nm ; λ emiss =500nm. a ( y t i s n e t n i Stokes shift PWO 0-50 Stokes shift!# = # em - # ex Q 0 g Q 0 e A Configurational coordinates D wavelength (nm) excitation radiative emission 42

43 Elettroni Critical energy E c : Ec! 610MeV Z (solids, liquids) Strongly material dependent, it scales as 1/Z (eg. 7 MeV for lead) Gli elettroni irraggiano fotoni finchè la loro E non diventa minore dell energia critica 43

44 fotoni photo-electric effect ) pe ( Z 5 ' 4 σ Ζ 5, Ε 3.5 # " c " pair ln E Z E! 7 9 & $ mec % E *! A N! A 1 X 2 0 #! " Compton scattering σ Ζ, Ε 1 pair production occours if E γ > 2m e c Z = 6 Z = 82 σ Z (Z+1) ; lne/m e for E< 1GeV, constant E >1GeV Probability of conversion in 1X 0 is e -7/9 Define a m.f.p. L pair = 9/7 X 0 (γ disappears) 44

45 Photon detection in Semiconductors p-n junction p-n junction + (U bias > U breakdown) V breakdown Avalanche Photo-Diode operated in linear mode ~ AMPLIFIER (Gain ~ )!! signal proportional to energy deposited used in CMS ECAL Geiger mode Avalanche Photo-Diode operate above breakdown voltage (Gain ~1*10 6 )!! It s a BINARY device for practical application use ARRAY of Single Geiger mode APD the Silicon Photo-Multiplier 45

46 SiPM properties: single pixel resolution SiPM output is the analog sum of all pixel signals 1600 pixels/mm² Hamamatsu high gain pixel signal visible on scope - signal rise time < 1 ns - fast fall ~ 5-10 ns AMPD tested in LNP JINR and PSI 46

47 Mass Produced Crystals Crystal NaI(Tl) CsI(Tl) CsI BaF 2 BGO PWO(Y) LSO(Ce) GSO(Ce) Density (g/cm 3 ) Melting Point (ºC) Radiation Length (cm) Molière Radius (cm) Interaction Length (cm) Refractive Index a Hygroscopicity Yes Slight Slight No No No No No Luminescence b (nm) (at peak) Decay Time b (ns) Light Yield b,c (%) d(ly)/dt b (%/ ºC) ~ ~0-0.1 ~0 Experiment Crystal Ball CLEO BaBar BELLE BES III KTeV TAPS (L*) (GEM) L3 BELLE PANDA? CMS ALICE PrimEx PANDA? - - a. at peak of emission; b. up/low row: slow/fast component; c. PMT QE taken out. 47