Tecniche di rivelazione per particelle elementari

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1 Tecniche di rivelazione per particelle elementari Cosa sono i rivelatori di particelle? Le interazioni radiazione-materia I rivelatori a gas ed i sistemi di tracciatura I rivelatori di microvertice Scintillatori e contatori I sistemi calorimetrici Identificazione di particella Schema di esperimenti ai collisori part 1 part 2 Stefano Miscetti LNF - INFN Italy 26/8/2008 Scuola Estiva Perugia Progetto Lauree Scientifiche 1

2 La fisica delle particelle elementari La fisica delle alte energie (HEP) studia le interazioni tra le particelle effettuando degli esperimenti di diffusione tra differenti particelle Collisioni P tot = 0 s.c.m. Esperimenti a bersaglio fisso Come risultato si possono: Modificare direzione, energia, impulso delle particelle Creare nuove particelle ALTE ENERGIE lunghezze d onda piccolissime (λ = h/p) studio della struttura interna creazione di nuove particelle E = mc 2 2

3 Quantità misurabili 4-impulso (E, Px, Py, Pz) E = m o c 2 γ (energia in ev) P = m o v γ (impulso in ev/c) E 2 = P 2 c 2 + m o 2 c 4 β = v/c γ = 1/ (1- β 2 ) Massa (in ev/c 2 ) - quantità derivata da E, P - misurata dai prodotti di decadimento m o c 4 = (E 1 +E 2 ) 2 - (cp 1 + cp 2 ) 2 Carica Vita media τ(lab) = τ(cm) γ - dal percorso prima di decadere Spin dalle distribuzioni angolari m E 1,p 1 E 2,p 2 3

4 Scale di masse, energie, lunghezze e tempi (I) Scala energia e masse in HEP: 1 MeV 1 GeV 1 TeV M e = 0.5 MeV Mm = 105 MeV M n,p = 1 GeV M Z = 91 GeV M LHC = 14 TeV M p = 140 MeV M LEP = 200 GeV Paragone energie HEP con energie macroscopiche 1eV = J, c = km/s 1eV/c 2 = kg m ape = 1 g = ev/c 2 v ape = 1 m/s E ape = 10-3 J = ev E LHC (1 protone) = 1.4 x ev Se però si considerano tutte le particelle in un fascio (10 14 )... E tot = x 1.4 x ev 10 8 J Energia cinetica di un tir in corsa 4

5 Scale di masse, energie, lunghezze e tempi (II) Valori tipici di lunghezze 1 µm (10-6 m) risoluzione spaziale rivelatori 1 nm (10-9 m) lunghezza d onda visibile nm 1 A (10-10 m) dimensione dell atomo 1 fm (10-15 m) dimensione del protone Valori tipici di tempo 1 µs (10-6 s) tempo di deriva e in 5 cm di Ar 1 ns (10-9 s) un e relativistico percorre 30 cm 1 ps (10-12 s) vita media di un mesone B (10-23 s) tempi decadimenti nucleari forti spesso per semplificare le formule si pone h = c = 1 hc = 1 = 197 MeV fm E 2 = p 2 + m 0 2 [E] = [m] = [p] = ev λ= h / p = 1/ p T = L/c = 1/ p = 1/E Paragone lunghezze energia 1 fm 200 MeV 1 A 2000 ev (raggi X) 400 nm 0.5 ev (visibile) 5

6 Particelle cariche Leptoni e, e +, µ ± (muoni) solo interazioni em+deboli Adroni p (protoni) subiscono anche interazioni forti Mesoni π ± (pioni), K ± (Kaoni) subiscono anche interazioni forti Particelle neutre γ (fotoni) propagatori della interazione em Adroni n (neutroni) Particelle da rivelare... Mesoni K 0 (Kaoni) Leptoni ν (neutrini) solo interazioni deboli! 6

7 Rivelatori di particelle (I) I rivelatori di particelle sono degli strumenti che permettono di misurare i segnali rilasciati al passaggio della particella in un mezzo. Esiste una grande quantità di rivelatori diversi, ognuno ottimizzato per effettuare delle misure specifiche. In generale i rivelatori vengono grossolanamente suddivisi in 3 grandi categorie: contatori traccianti calorimetri (frequenza) (traiettoria,carica, momento) (energia, tempo di volo) Combinando le informazioni di più rivelatori si ottengono informazioni più dettagliate come massa, velocità, spin, tipo di particella. 7

8 Rivelatori di particelle (II) Sistema di tracciatura m, P 1, E 1 m, P, E + - B Sistema Calorimetrico m, P, E Il sistema di tracciatura determina la traiettoria della particella Se immerso in un campo magnetico B si riescono a determinare anche la carica Q ed il momento P La particella subisce una minima perdita d energia nel sistema In questo caso invece la particella viene quasi completamente assorbita Il segnale è proporzionale alla sua energia: S = K E 8

9 Risposta e risoluzione di un rivelatore Il segnale di risposta, Q, prodotto dal rivelatore al passaggio della particella determina il valore della quantità misurabile S: Q è legata ad S dalla relazione S = f(k i, Q) dove K i sono le costanti di calibrazione. Tipicamente la risposta è lineare ( E = KQ, X = V (T-T 0 ) ) La risposta è distribuita solitamente secondo una curva gaussiana la cui deviazione standard rappresenta la risoluzione del rivelatore Le costanti di calibrazione: - possono dipendere dalla posizione nel rivelatore - devono essere determinate per ogni singolo canale di lettura - la loro stabilità deve anche essere controllata nel tempo 9

10 Proprietà di un rivelatore di particelle ideale L efficienza di un rivelatore è il rapporto ε = N R / N I tra il numero di particelle segnalate dal rivelatore e il numero di particelle incidenti. Il rumore è dato dai segnali prodotti dal rivelatore non correlati alla particella in esame ma dovuti a fluttuazioni intrinseche del sistema (es: rumore elettronico). In un rivelatore ideale vorremmo essere in grado di ricostruire tutte le variabili in esame con: - risoluzione perfetta - in tutto l angolo solido - per tutte le particelle incidenti - con una velocità di risposta elevata - senza alcun rumore - facilità e stabilità nella calibrazione 10

11 Interazione radiazione materia.. un breve riassunto..in few slides 11

12 Le particelle cariche Due effetti principali caratterizzano il passaggio delle particelle cariche nella materia: Eo 1) collisioni inelastiche con gli elettroni atomici del materiale 2) diffusione elastica dai nuclei fenomeni più rari sono: emissione Cerenkov, reazioni nucleari, bremsstrahlung Δx E1 Particella pesante di massa M e carica ze Elettroni atomici Il fenomeno 1) determina per le particelle pesanti la perdita di energia nella materia - In tali collisioni dell energia viene trasferita dalla particella all atomo causando ionizzazione o eccitazione degli stati atomici. - Talvolta gli elettroni estratti hanno energia sufficiente per creare altre ionizzazioni (delta rays). La diffusione elastica con i nuclei avviene molto più raramente e l energia trasferita è poca poiché la massa nucleare è tipicamente maggiore della particella incidente. 12

13 La perdita media di energia, de, per unità di percorso, dx(g/cm 2 ) = dx(cm) ρ, di una particella pesante (M, q=ze) in un materiale di densità ρ, numero atomico Z, peso atomico A è dato dalla formula di Bethe-Block. discesa di Bragg 1/β 2 minimo di ionizzazione 2, 11, 13 MeV/cm in plastica, ferro, piombo risalita relativistica La formula di Bethe-Block T max = m e c 2 βγ massima energia trasferita I = I o Z (I o = 10 ev) potenziale di eccitazione medio de dx Dipende solo da β non da M Per e + e la massa del bersaglio e del proiettile sono uguali T max = E/2. Inoltre BREMS de = 4π N dx A r 2 e m e c 2 z 2 Z 2m 1/2 ln e c2 γ2 β2 T max β 2 δ/2 Aβ 2 I 2 13

14 Perdite di energia per elettroni e positroni (Bremsstrahlung = Irraggiamento) A causa della piccola massa gli elettroni subiscono oltre alla perdita di energia anche deviazioni sostanziali per diffusione da parte del nucleo emettendo radiazione e.m. e Ze γ e de/dx irr = E/X o E c Lunghezza di radiazione X 0 = g cm 2 A Z (Z+ 1) ln (287/ Z) de/dx tot = de/dx coll + de/dx irr L energia in cui de/dx coll = de/dx irr è chiamata energia critica ed è parametrizzabile come E c = 550 MeV/z. Per E > E c la Brems. è dominante e l energia decresce esponenzialmente come E(x) = E o e ( X/X o ) 14

15 Rivelazione di fotoni Per poter essere rivelato un fotone deve creare o cedere energia ad una particella carica Effetto fotoelettrico X X γ + atomo ione + + e Vengono estratti principalmente elettroni delle shell K Diffusione Compton e γ + e γ + e θ γ e & m " pe # Z 5 $ 4 e c 2 ) ( ' E + % * # c ln E " Z E!! 7 2 σ compton Diffusione su elettrone quasi libero Produzione di coppie La creazione di coppie avviene solo per energie maggiori di 2 m e ed è il fenomeno dominante per E > 20 MeV. γ + campo Coul. e + + e Z σ pair 7/9 A/(NaXo) I(x) = I o exp(-7/9 x/x o ) 15

16 Rivelazione di adroni Gli adroni nei materiali, oltre alla perdita di energia se carichi, danno origini ad interazioni nucleari eccitando o frantumando il nucleo. Adrone Z,A p π + n π 0 π molteplicità è ln(e) per analogia con interazioni e.m. si definisce la lunghezza di assorbimento adronico - λ = A/ ( N A σ INEL ) - N(X) = N O exp (-X/ λ) 16

17 Rivelazione di neutroni e neutrini I neutroni sono adroni neutri Ad alte energie si rivelano come tutti gli adroni (sciami adronici) Ad energie < 1 GeV si rivelano per diffusione elastica di protoni Ad energie < 20 MeV tramite reazioni particolari: 1) n + 6 Li α + 3 He 2) n + 10 B α + 7 Li 3) n + 3 He p + 3 H 17

18 Rivelazione di neutroni e neutrini I neutrini sono leptoni neutri e si rivelano solo con processi indiretti (deboli) La sezione d urto del processo v e + n e - + p e` circa cm 2 ν l + n l + p ν l + p l + + n l = e, µ, τ l efficienza di rivelazione 1 m di Ferro ε Per rivelare i neutrini : - (direttamente) flussi elevati, rivelatori giganteschi - (indirettamente) in collisioni con rivelatori ermetici si trovano i neutrini come assenza di energia, impulso nell evento 18

19 RIVELATORI GASSOSI.. 19

20 I rivelatori a gas Questi rivelatori usano un gas come elemento attivo. Il gas viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e ) Ione (X+) (Ionizzazione primaria). Gli e emessi (δ-rays) vengono accelerati applicando un campo elettrico e possono produrre a loro volta Ionizzazione Secondaria innescando una Moltiplicazione a Valanga Tipici valori per la ionizzazione primaria sono di una coppia e X + ogni 30 ev. In Ar gas a STP una m.i.p. deposita circa 3 kev/cm i.e. si producono 100 coppie/cm. Poca carica amplificazione Z 20

21 I rivelatori a gas: camere a ionizzazione Un tipico rivelatore a ionizzazione è costituito da un cilindro riempito di gas con al centro un filo metallico posto ad alta tensione In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano (drift) verso l anodo (gli ioni verso il catodo) dove il segnale viene raccolto Catodo a massa Anodo HV + Le miscele privilegiano i gas Nobili in quanto le shell esterne sono completamente riempite, riducendo la ricombinazione degli elettroni lungo il percorso 21

22 I rivelatori a gas: regimi di funzionamento In funzione della tensione applicata ci sono diversi regimi diversi di lavoro N ioni /N 1 A3 Regime Geiger: la scarica si estende lungo tutto il filo. Si interrompe spengendo 10 8 A A2 A Regime di ionizzazione: carica raccolta senza moltiplicazione HV (V/cm) Nelle prossimità del filo la valanga crea atomi eccitati che emettono fotoni capaci di ionizzare ulteriormente. Si utilizzano molecole poliatomiche aggiunte come assorbitori quencher es. metano (CH4), Isobutano Regime di streamer limitato: si formano più valanghe, si perde la proporzionalità Regime proporzionale: si forma una valanga nella regione intorno all anodo che è proporzionale alla carica iniziale

23 Camere Proporzionali Multi-Filo Il principio è quello dei rivelatori a gas a geometria cilindrica. Il rivelatore è formato da molti fili paralleli posti tra 2 catodi ad una distanza di ~ 2 mm. George Charpak, 1968 Premio Nobel

24 MWPC (Camera Proporzionale amulti-filo) x z d Ar 80% Isobutano 24.5% Freon 0.5% Spaziatura tra anodi (d) è 1 2 mm Coordinata Z si determina con: - piani incrociati di fili - divisione di carica - tempo di arrivo (delay line) - induzione su strisce catodiche segmentate ITC (ALEPH) Inner Tracking Chamber Risoluzioni migliori: σ x 150 µm, σ z 2-3 mm 24

25 Camere a deriva La posizione della particella si ricostruisce misurando il tempo di arrivo degli elettroni di deriva all anodo rispetto ad un tempo di partenza (T 0 ). Tale tempo viene o assegnato tramite un contatore esterno o ricalibrato come la posizione intorno al filo X = V d (T-T 0 ) scintillatore x ritardo start stop T D C Miscele tipiche Ar-Etano (50%-50%) G in regime proporzionale V d = 50 µm /ns con velocità saturata (dv d /dhv = 0) deriva Regione di deriva a basso campo anodo Regione di deriva a alto campo Risoluzione spaziale determinata da 3 fattori - risoluzione temporale (1-2 ns) - fluttuazione statistica della ionizzazione primaria - diffusione longitudinale Risoluzioni tipiche: µm 25

26 Contributi di risoluzione per camere a deriva 26

27 y Risoluzione in impulso per sistemi traccianti Ricostruiti i punti spaziali, la curvatura della traiettoria ( in presenza di B) permette di determinare la carica e l impulso della particella. La particella descrive un elica nello spazio ma tipicamente (nei collisori) B è parellelo al fascio(z) e la traiettoria è un arco di cerchio nel piano trasverso X-Y. So B // z mv 2 /ρ = F lor =qvb/c P(GeV) = 0.3 B(Tesla)ρ(m) L s R ρ x So L 2 /2ρ S R 2 /8ρ =.3BR 2 /8P Utilizzando 3 punti Δp/p = Δs/s = (3/2) Δxy p/(0.3br 2 ) Utilizzando N punti equidistanti: Δp/p = (720/N+4) Δxy p/(0.3br 2 ) Buona risoluzione in P grandi B e R, buona risoluzione spaziale!! Peggiora all aumentare di P 27

28 Camere a proiezione temporale (TPC) Unione delle 2 tecniche: Drift lungo Z MWPC nel piano trasverso Catodo a massa E B MWPC Determina r,φ Fili anodici Permette di tracciare in una grande quantità di spazio con pochi fili nella direzione longitudinale: - Alta risoluzione - Lenta - Limitata dalla diffusione Cilindro riempito Di miscela gassosa z = v drift t longitudinale E // B E = V/cm, B = T 28

29 Aleph TPC TPC di: 3.6 m diametro Lunghezza = 4.4m Ar-CH4 91%, 9% Pads r-φ 6x30 mm 2 Max T drift = 45 µs Massima frequenza sopportabile ~ KHz, grazie alla griglia per ioni intorno alla MWPC OK a LEP con collisioni di bassa frequenza σ(r-ϕ) = 150 µm, σ(z) = 750 µm σ Pt /P t = 0.1 % P t (GeV) 0.3% 29

30 30

31 STAR TPC Slide 0 Slide 0 31

32 ALICE TPC 32

33 Jet chambers.. Slide 32 Altre camere jet-like mantengono struttura simile ma posizione in Z ottenuta con strati assiali o strati stereo (angolo di tilt di pochi gradi, σ(z)=σ(ϕ)/sin(θ) = few mm esempio CDF chamber 33

34 Event displays of jet-like chambers.. CDF-chamber 34

35 La camera a drift di KLOE Huge, transparent Drift Chamber in 5.2 kgauss field of a SC coil. Carbon fiber walls, stereo wires, 2m radius, 4m long, mostly He gas mixture. Momentum res: σ(p T )/p T ~0.4% He leggero. Riduce diffusione multipla. θ 21 MeV/P(MeV) ( L/Xo) 35

36 Rivelatori a GEM I rivelatori a GEM sono rivelatori a gas inventati da Fabio Sauli nel Una GEM (Gas Electron Multiplier) è costituita da un sottile foglio di materiale plastico (kapton) ricoperto di Rame su entrambi i lati. Il foglio contiene tanti piccolissimi fori (diametro 70 µm, passo 140 µm). 36

37 Rivelatori a GEM Applicando una differenza di potenziale (400 V) tra le facce della GEM si crea un campo elettrico molto alto all interno dei fori, che innesca la moltiplicazione a valanga degli elettroni. Un guadagno di 10 6 si può ottenere con una Tripla-GEM Cathode Conversion & Drift 3 mm GEM 1 Un rivelatore a Tripla-GEM è composto da un Catodo, 3 GEM e un Anodo dove si forma il segnale. GEM 2 GEM 3 Anode Transfer 1 Transfer 2 Induction 2 mm 2 mm 2 mm Read-out 37

38 GEM performances (I) FAST ELECTRON SIGNAL ONLY Excellent multi-track resolution! Signals on adjacent strips (500 µm pitch) Ions INDUCTION Electrons Signals from multiple fast particles: 30 ns M. Ziegler, PhD dissertation (2002) 10 ns A-CO , 5kV cm -1 w = 7.5 cm µs -1 MICROPATTERN GAS DETECTORS 38

39 GEM performances (II) RESIDUALS FOR MINIMUM IONIZING PARTICLES (COMPASS TRACKER): CHARGED PARTICLES Using a fast gas (A-CO 2 -CF 4 ) LHCb muon trigger σ = 64 µm B. Ketzer et al, Nucl. Instr. and Meth. A535(2004)314 M. Alfonsi et al, Nucl. Instr. and Meth. A535(2004)319 MICROPATTERN GAS DETECTORS 39

40 GEM cilindriche Triple-gem with 2D-strip Readout (NA49 upgrade) Low mass vertex detector for KLOE-2 40

41 RIVELATORI DI SILICIO per ricostruzione dei micro-vertici

42 Rivelatori al silicio per la ricostruzione dei microvertici Ci sono altre tecnologie che permettono tracciatura ad altissima precisione e che permettono di ricostruire i cosidetti vertici secondari. Accenniamo soltanto ai rivelatori a stato solido, limitati dalle strips di silicio (tipicamente 50 µm) che permettono di ottenere risoluzioni spaziali di µm sul singolo punto. Risoluzioni sul vertice fino a 10 µm. Nuovi quarks (charm e beauty); nuovi leptoni (tau) Vite medie comprese tra s <τ< s. Lunghezze di decadimento comprese fra 30µm<cτ<300µm B-BAR DECAY B DECAY C DECAY VERTICE PRIMARIO 42

43 Esempi di rivelatori al Silicio Sono rivelatori ad altissima risoluzione spaziale (< 50µm) usati spesso come rivelatori di vertice, in zone molto vicine al punto di collisione dei fasci di particelle LHCb BaBar 43

44 Il parametro di impatto: esempio Aleph IP=Impact Parameter L σ spatial resolution a a cτ (B) 500 µm cτ (τ) 100 µm 44

45 Il parametro di impatto: esempio CDF 45

46 Schema di un rivelatore al silicio Questi rivelatori usano un sottile strato di Silicio come elemento attivo. Il Silicio viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e) lacuna (h) (Ionizzazione primaria). In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso l anodo e le lacune verso il catodo, producendo un segnale elettrico. A differenza dei rivelatori a gas non c è né Ionizzazione Secondaria né Moltiplicazione a Valanga. 46

47 Additional material 47

48 Perche il Silicio? I semiconduttori hanno una struttura atomica adatta per rivelazione particelle Eg = 1.12 ev E per creare coppia e-lacuna 3.6 ev vs 30 ev nel gas denso (2.3 g/cm 3 ) --> MIP 4 GeV/cm --> 10 6 coppie mobilita dei portatori di carica alta: rigidita del silicio --> rivelatori auto sostenenti funzionano come contatori a ionizzazione (no-amplification) Semiconduttore non drogato numero di elettroni (n) e lacune (p) uguale Es. A temperatura ambiente n=p=10 10 /cm 3. In 300 µ una MIP crea 3x10 4 n,p si ricombinano subito con le 4x10 8 presenti. SVUOTARE il rivelatore.. I.e. Ileakage << Isignal -bassa temperatura -Giunzioni n-p 48

49 Perche il Silicio: le giunzioni n-p Reverse bias on a p-n junction In una giunzione n-p la densita di elettroni e piu alta che in p Inizia una diffuzione di elettroni di conduzioni verso P e si crea Una regione di svuotamento senza portatori liberi. Applicando una Tensione inversa (+ su n) si allarga la regione di svuotamento: d = ( 2εV en) = 0.5 (0.3) nu x ( ρ V) d = 300 Vbias = 70 V. 49

50 Proprietà dei semiconduttori intrinseci Silicio Germanio Numero atomico Densità (g/cm 3 ) Energy gap (ev) Densità portatori (cm -3 ) Resistività (W cm) Mobilità e (cm 2 /Vs) Mobilità h (cm 2 /Vs) Energia/coppia (ev) * * T = 77 K 50

51 Giunzione n-p Diffusione di e- nella zona p, lacune nella zona n Differenza di potenziale Zona di svuotamento (Depletion zone) Assenza di portatori liberi nella zona di svuotamento 51

52 Rivelatori a pixel Segmentazione a matrice di diodi Elettronica di lettura con la stessa geometria Collegamenti con la tecnica bump bonding 52

53 ATLAS CLEO III 53

54 54