A. Di Mauro (CERN) Italia al CERN, 10/10/14
Alcune defnizioni RIVELATORE E un dispositivo che conta, traccia o identifica le particelle prodotte dai decadimenti radioattivi, dalle radiazioni cosmiche o dalle collisioni generate in acceleratori di particelle, attraverso vari tipi di interazione con il mezzo (gas, liquido, solido) di rivelazione. PARTICELLE Stabili: protoni (p), neutroni (n), elettroni (e), fotoni (g) Instabili (t > 10-10 s, traccia > 0.5 mm): kaoni (K), pioni (p), muoni (m) Altre centinaia di particelle instabili decadono immediatemente (traccia < 0.5 mm) e sono rivelabili attraverso le particelle secondarie Adroni: combinazioni di 2 o 3 quarks/anti-quarks (p, K, p, n) INTERAZIONI Elettromagnetica: e ±, m ±, g Nucleare forte: K 0, n E.m. + forte: p ±, p ±, K ± IDENTIFICAZIONE Ogni particelle e caratterizzata da una massa e una carica; le differenze di massa, carica e interazione sono fondamentali per la identificazione delle particelle
Uno schema di rivelatore multi-purpose g di alta energia coppie e + /e - e ± ionizzano o emettono g m non interagiscono adroni carichi ionizzano e producono cascate adroniche in mezzi di alta r adroni neutri non ionizzano e producono cascate adroniche in mezzi di alta r B, bassa r alta r alta r tracciamento Campo magnetico B curvatura R delle tracce (carica +/-), impulso p ~ R B Cinematica relativistica: p=mbg, E= mg misura della massa identificazione
Un esempio concreto: CMS
Sommario delle tecnologie Rivelatori a semiconduttore (pixels di silicio) vicino al punto di collisione con altissima risoluzione spaziale (~ 10 mm) per individuare i vertici primari e secondari Rivelatori a semiconduttore (strips di silicio) o a gas a distanze maggiori per tracciamento in campo magnetico (misura di p) Calorimetri elettromagnetici o adronici (strati alternati di materiale assorbitore ad alta densita e materiale attivo per es. scintillatore) per la misura dell energia E delle particelle
Elementi principali di un sistema di rivelazione Il detector (materiali, meccanica di precisione, assemblaggio) Elettronica di lettura, interfaccia con sistema di acquisizione Servizi: sistemi gas, raffreddamento, alimentazioni LV e HV Software: sistema di controllo dei servizi, analisi dati, simulazione Sistemi centrali (esperimenti): trigger (selezione eventi e sincronizzazione di tutti i sotto detectors), acquisizione dati (DAQ) e registrazione, controllo dei rivelatori (DCS), event display, data quality monitoring (online), analisi eventi (offline)
La sfida LHC Campi magnetici elevati per spettroscopia dell impulso p Magneti superconduttori, criogenia Strutture massiccie (~ 10 4 T) Apparati di grandi dimensioni per spettroscopia di p e calorimetria Ingegnerizzazione e integrazione di dispositivi grandi, fragili, pesanti,. Modularita, riduzione spazi morti Frequenze di collisione (~800 MHz) e flussi di particelle elevatissimi Materiali dei rivelatori e elettronica radiation hard Rivelatori e elettronica di lettura rapidi Elevata risoluzione spaziale Elevata granularita Numero di canali di elettronica (100 M) e quantita di dati da immagazzinare elevati (~ 1-10 GB/s) Capacita di selezione degli eventi Filtraggio intelligente in tempo reale (combinazioni di rivelatori e software)
ALICE
ATLAS
CMS
LHCb
Rivelatori a semiconduttore Giunzione p-n polarizzata inversamente (diodo) Regione completamente svuotata da cariche libere (rumore termico), zona attiva per la rivelazione Una particella ionizzante produce cariche elettriche che per effetto del campo elettrico migrano agli elettrodi producendo un segnale ca. 50-150 mm N (e-h) ~ 11000 /100 mm Risoluzione spaziale ~ 10 mm SiO 2 passivazione 300mm
Architettura ibrida Sensore (silicio) e chip di lettura separati wire bonding bump bonding di ciascun pixel CMS Si strip
Il silicon tracker di CMS 5.6x 2.4 m 200 m 2 di silicio 71 M di canali Pile-up di vertici primari di collisioni p-p, separazione ~ 100 mm
Il silicon tracker di ATLAS pixels strips 60 m 2 di silicio 80 M di canali
Sensori CMOS Sensore e elettronica di lettura integrati nello stesso chip CMOS (Pixel) Detector Stessa tecnologia delle fotocamere digitali Ridotti costi di produzione Maggiore granularita (pixel piu piccoli) Spessore ridotto (material budget) Soluzione adottata per l upgrade dell Inner Tracking System di ALICE
L upgrade dell ITS di ALICE 10 m 2, 25 Gpixels di 20x20 mm, 7 layers, copertura radiale da 21 a 400 mm
L upgrade dell ITS di ALICE - Design ottimizzato per ridurre material budget (X0=0.3%) e incrementare la risoluzione spaziale - Struttura di supporto in fibra di carbonio, peso 1.5 gr - 50 mm pixel chips connessi a PCB flessibile a doppio layer in Al e kapton spesso 150 mm, peso di un modulo: 2 gr - Interconnessione con saldatura laser IR in vuoto di biglie di SnAg di 200 mm Inner barrel stave
Rivelatori a gas Single wire counter In prossimita del filo E molto elevato Diametro ~ 20 mm Moltiplicazione a valanga G. Charpak, premio Nobel 1992 a : coeff. di Townsend, dipende dal gas G ~ 10 5 Camera proporzionale multifilo (MWPC), 2D position sensitivity
Time Projection Chamber Volume di gas con E e B paralleli E ~ 100-400 V/cm, d fino a 2.5 m, t deriva ~ 10-100 ms Ricostruzione 3D delle tracce usando t deriva (fondamentale: controllo temperatura, velocita di deriva, purita gas)
La TPC di ALICE
La TPC di ALICE
La TPC di ALICE First Pb-Pb collision in Nov 2011
L upgrade della TPC Sostituzione MWPC con GEM quadruple 25
Rivelatori a gas micropattern Micro-pattern gas detectors sono stati introdotti negli anni 90 per ottenere migliore risoluzione spaziale, capcita di alti rates di particelle e semplicita di costruzione rispetto alle tradizionali MWPC La GEM (Gaseous Electron Multiplier) e un foglio di kapton (50 mm) rivestito da Cu (5 mm) su entrambe le facce, con fori di 70 mm e passo di 140 mm I due elettrodi di Cu sono collegati ad una DV ~ 4-500 V, all interno dei fori si ha moltiplicazione a valanga F. Sauli
Rivelatori a gas micropattern Altre versioni: THGEM, mmegas, InGrid, mstrip, mdot, THGEM InGrid Grandi superfici sensibili a costi contenuti Resistenti meccanicamente e alla radiazione Notevole risoluzione spaziale e temporale Tecniche di produzione sviluppate al CERN, in continua evoluzione, nuovi materiali e procedimenti, tecniche litografiche ~ standard
Rivelatori a gas micropattern R&D in corso per l upgrade dei rivelatori per LHC, HL-LHC TPC di ALICE -> GEM o GEM+μMegas Muon system di CMS -> GEM Muon system di ATLAS -> μmegas CMS GEM ATLAS μmegas
Rivelatori a gas micropattern Altre applicazioni: Adatti anche a misurare neutroni e raggi X Possibili applicazioni fuori dalla ricerca di base: Homeland security (Rn detector, flame/smoke detector,...) Dosimetria e dosimetria ambientale X-ray imaging Neutron scattering (biologia e materiali)
Note conclusive Parte del materiale proviene da talks di D. Bertolotto, F. Resnati e W. Riegler Questa presentazione ha mostrato una parte molto ridotta degli innumerevoli sistemi di rivelazione esistenti Ricerca pura progresso e innovazione tecnologica.
1911 Camera a nebbia di Wilson 2012 ATLAS Future Circular Collider ~ 100 km, 100 TeV 20XX?