Detektory cz"stek

Detektory cz"stek

!  Przekrój czynny

!  Procesy u#yteczne do rejestracji cz"stek

!  Techniki detekcyjne

!  Detektory

!  Przyk!ady u#ycia ró#nych technik detekcyjnych

Eksperymenty

Przekrój czynny σ jest miar" prawdopodobie$stwa oddzia!ywania.

Przekrój czynny

[ ! ^] = m ² efektywna powierzchnia padaj"cej cz"stki i centrum rozpraszaj"cego .

We%my grubo&' tarczy dx tak, #eby centra nie przekrywa!y si(.

Wtedy prawdop. oddz.:

! dN

N =

"

po wszystkich centrach

#

A = " $ n $ A $ dx A

gdzie

N – liczba cz"stek padaj"cych

-dN – liczba cz"stek oddzia!uj"cych A – powierzchnia obszaru oddz.

n - koncentracja centrów na jednostk( obj(to&ci Dla sko$czonej grubo&ci tarczy L dostajemy po wyca!kowaniu po dx:

a) liczba cz"stek, które nie oddzia!a!y N = N

e

^"

= N ( ! e

^" )

Przekrój czynny c.d.

d ! dE

Praktyczna jednostka:

1 barn =10

m

Ró#niczkowe przekroje czynne:

Rozk!ady energii cz"stki wtórnej )rednia droga

na oddzia!ywanie: ! " x =

xe

dx

0

%

&

e

dx

0

%

& ⁼

1

n$

Przechodzenie cz"stek

na!adowanych przez materi(

Cz"stka na!adowana:

"  w wyniku zderze$ z elektronami traci energi( na jonizacj(

"  w polu kulombowskim j!dra:

!  traci energi( na emisj( gamm

!  zmienia kierunek

"  wzbudza atomy

wielokrotne rozpraszanie kulombowskie

promieniowanie hamowania

scyntylacje

Wzór Bethego-Blocha

Minimalne straty energii:

straty radiacyjne

! " # ^c

Pr(dko&' cz"stki:

Cz"stka w polu kulombowskim j"dra

gdzie to d!ugo&' radiacyjna )redni k"t odchylenia cz"stki:

Wielokrotne rozpraszanie kulombowskie

Promieniowanie hamowania (bremsstrahlung)

Na skutek emisji fotonu cz"stka traci energi( (straty radiacyjne):

1

X

= 4 !

mc

!

"#

$

%&

2

Z(Z +1)'

n ln 183 Z

!

"

# $

% &

Straty radiacyjne proporcjonalne do: czyli wa#ne

•  dla elektronów, mionów

•  du#ych energii

v i p to pr(dko&' i p(d cz"stki

Straty energii elektronów

Energia krytyczna:

Dla elektronów:

Dla cz"stek o masie m:

np. dla mionów:

Emisja &wiat!a w wyniku wzbudze$

atomów

Scyntylacje:

Promieniowanie Czerenkowa:

W niektórych materia!ach zwanych „scyntylatorami” deekscytacja atomów prowadzi do emisji &wiat!a widzialnego, !atwego do detekcji.

Np. w cienkim liczniku - krótki puls &wiat!a po przej&ciu cz"stki Liczniki do pomiaru czasu

rozdzielczo&ci czasowe < 0.5 ns

Koherentna emisja &wiat!a wywo!ana na!adowan" cz"stk" o pr(dko&ci wi(kszej ni# pr(dko&' &wiat!a w danym o&rodku

Emisja izotropowa,

niezale#na od kierunku cz"stki

Emisja kierunkowa

Promieniowanie Czerenkowa

• 

cos ! = ct / n

"ct = 1

"n

Detektory Czerenkowa sygnalizuj" cz"stki które przekraczaj" charakterystyczny dla nich próg pr(dko&ci (p(du).

Umo#liwiaj" te# pomiar kierunku cz"stki.

n – wspó!czynnik za!amania

Liczba fotonów:

np. w wodzie n=1.33

Praktycznie dla relat. cz"stki k"t sta!y

pier&cienie Czerenkowa

Poch!anianie kwantów gamma

Efekt fotoelektryczny

Kreacja par

Rozpraszanie Comptona:

Dla energii > 100 MeV sta!a d!ugo&' konwersji

d!ugo&' radiacyjna

Nat(#enie wi"zki γ maleje

wyk!adniczo:

Pomiar p(du cz"stek

Na!adowana cz"stka w polu magnetycznym:

Je&li jednocze&nie zmierzymy:

to ze wzoru Bethego-Blocha mo#emy ustali' pr(dko&' cz"stki

a w konsekwencji jej mas( czyli mo#emy j" zidentyfikowa'.

Identyfikacja cz"stek

Pomiary w komorze

TPC (time projection

chamber)

Magnesy nadprzewodz"ce w detektorach (solenoidy)

Eksperyment Pole mgt )rednica D!ugo&' Energia

{Lab} (T) (m) (m) (MJ) CDF {Fermilab} 1.5 2.86 5.0 30

DØ {Fermilab} 2.0 1.06 2.73 5.6

BaBar {SLAC} 1.5 2.80 3.46 27

ATLAS {CERN} 2.0 2.5 5.3 700

CMS {CERN} 4.0 5.9 12.5 2700

Detektory

Zadania detektorów:

!  zmierzy' po!o#enie (tor) cz"stki

!  zmierzy' czas

!  zidentyfikowa' cz"stki

!  zmierzy' p(dy

!  zmierzy' energie

Nie da si( tego zrobi' optymalnie w jednym typie detektora

detektory wielowarstwowe

Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów

Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy

Emulsja j"drowa 1 µm — —

Komora p(cherzykowa 10-150 µm 1 µs 50 µs Kom. strymerowa (#RPC) 300 µm 2 µs (<0.5ns) 100 µs Komora proporcjonalna 50-300 µm 2 ns 200 ns Scyntylator — 100 ps 10 ns

Komora dryfowa 50-300 µm 2 ns 100 ns

Komora dryfowa LAr ~175-450 µm ~ 200 ns ~ 2 µs Paski silikonowe <25 µm ograniczone przez

elektronik㾤

Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów

Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy

Emulsja j"drowa 1 µm — —

Najlepsza przestrzenna zdolno&' rozdzielcza

- ale bardzo powolny przegl"d pod mikroskopem

Stosowana wyj"tkowo

Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów

Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy

Komora proporcjonalna 50-300 µm 2 ns 200 ns

Kosztowne (kana!y elektron.

do ka#dego drutu)

– zosta!y zast"pione przez komory dryfowe.

wzmocnienie gazowe ! 10

Wielodrutowe komory proporcjonalne:

p!aszczyzny drutów

anodowych w odl. 2mm

Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów

Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy

Komora dryfowa 50-300 µm 2 ns 100 ns

Komora dryfowa LAr ~175-450 µm ~ 200 ns ~ 2 s

Przy dobrej czysto&ci gazu elektrony jonizacji mog" dryfowa' w polu

elektrycznym do drutu anody na odleg!. do kilku metrów. Dryfuj" ze sta!"

pr(dko&ci" i st"d czas ich przybycia mierzy odleg!o&' punktu od anody.

W gazowych komorach typowe pr(dko&ci dryfu to:

Ciek!y argon LAr u#ywany jest w komorach TPC

z 3 wymiarow" rekonstrukcj" - patrz dalej...

Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów

Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy

Scyntylator — 100 ps 10 ns

•  Np. kryszta!y NaI, lub organiczne ciecze lub p!ytki plastykowe

•  Swiat!o za pomoc" &wiat!owodów do fotopowielaczy

•  W typowym scyntylatorze 10000 fotonów na 1 cm toru na!adowanej cz"stki.

•  Z powodu znakomitej czasowej zdolno&ci rozdzielczej stosowane do trygerowania lub pomiarów czasu przelotu (TOF).

Mo#na pokaza', #e 2 cz"stki o tym samym p(dzie p

i masach m

i m

pokonaj" odleg!o&' L z ró#nic" czasu:

Typowe w!asno&ci ró#nych detektorów

Typ detektora Zdolno&' Zdolno&' Czas przestrz. czasowa martwy

Paski silikonowe <10 µm ograniczone przez elektronik㾤

W mikro-paskach pó!przewodnikowych cz"stka na!adowana produkuje pary elektron – dziura, które w polu elektr. zbierane s" na elektrodach.

Znakomita przestrzenna rozdzielczo&' wykorzystywana jest w detektorach

wierzcho!ka. Do produkcji 1 pary wystarczy depozyt energii 3-4 eV.

Kalorymetry

u#ywane do pomiarów energii.

W kalorymetrach jest materia! o krótkiej drodze na

oddzia!ywania, co powoduje powstawanie kaskad cz"stek.

Sygna! pochodzi z jonizacji przez cz"stki wtórne.

Na ogó! uzywane s" oddzielne kalorymetry:

•  elektro-magnetyczne

•  hadronowe

Kaskady elektromagnetyczne

t=0 1 2 3

Po odleg!o&ci równej kilku drogom

radiacyjnym X

kaskada zamiera

prosty model kaskady

Kalorymetry

elektromagnetyczne budowane s" z

materia!ów o ma!ej

d!ugo&ci radiacyjnej

Pb Fe

Kaskady elektromagnetyczne

Kalorymetry

elektromagnetyczne mog"

zmierzy' energi(

pocz"tkowego elektronu lub

kwantu gamma bo :!

E

= E

!

gdzie suma po wszystkich

wtórnych elektronach

Kalorymetry hadronowe

Na ogó! gubimy energi(

unoszon" przez neutrony.

Czasem dodawany jest uran, z którym neutrony wywo!uj"

rozszczepienie

i cz(&c energii jest odzykana („kalorymetry kompensuj"ce”)

Rozmiar jest podyktowany &redni" drog" na oddzia!ywanie:

p

!

Np: dla Pb o g(sto&ci

X

= 0.56 cm

! = 12.4 cm

Kalorymetry

Kalorymetr jednorodny – ca!y obszar jest aktywny.

Kalorymetr próbkuj"cy

- gorszy pomiar, ale mniejszy i ta$szy.

Zwykle jest to materia!

o ma!ej g(sto&ci i musi by' odpowiednio du#y.

Np. warstwy o!owiu i scyntylatora

Detektory warstwowe

Kalorymetry

elmgt s" mniejsze ni# hadronowe

bo:

paski

Si komora

dryf.

!  Przyk!ady u#ycia ró#nych technik detekcyjnych

Eksperymenty

Detektor CDF

w Fermilabie

Detektor ATLAS w LHC

CMS (Compact Muon Solenoid)

CMS – detektor wierzcho!ka

SOLENOIDALNA CEWKA CMS

SOLENOIDALNA CEWKA CMS

Kalorymetr hadronowy - CMS

„End cap” detektora CMS

Przypadek w CMS

- rekonstrukcja w p!aszczy%nie prostopad!ej do osi

Produkcja kwarka top w CMS

Wielkie detektory

Czerenkowa

Detektor Super-Kamiokande

Wodny detektor wykorzystuj"cy zjawisko

Czerenkowa

50kton wody, 22.5kton

przestrzeni roboczej

>11tys

fotopowielaczy

(PMT) o &rednicy

Super-Kamiokande po odbudowie

2005/2006

Rozpad protonu w SK

tylko symulacja!

p ! e

+ "

Zatrzymuj"cy si( mion w Super-Kamiokande

Ka#dy punkt to jeden PMT Kolory – czas

trafienia PMT poprawiony na

czas przelotu z wierzcho!ka

Energia –

obliczana z sumy foto-elektronów zarejestrowanych we wszystkich

PMT

Oddz. neutrino bo brak sygna!u w

detektorze

zewn(trznym

Czerwony pier&cie$

Identyfikacja cz"stek

elektrony, kwanty gamma:

miony, piony, protony:

Rozmyty pier&cie$ bo

elektrony z kaskady elmgt ulegaj" wielokrotnemu

rozpraszaniu kulomb.

N najcz(&ciej poni#ej

SNO

(Sudbury Neutrino Observatory)

"  1000 ton D ₂ O

"  2 km pod ziemi"

(Kanada)

"  10 ⁴ - 8” PMTs

"  6500 ton H ₂ O

Detektor Czerenkowa

wype!niony ci(#k" wod"

SNO

Pb

Emulsion layers

"!

#!

1 mm

Plastic base

56 emulsion films / brick!

Detektor OPERA

Warstwy emulsji u#yte do precyzyjnej rekonstrukcji oddzia!ywa$

W sumie ok 40 ton emulsji

Neutrina z CERNu do Gran Sasso (730km).

200 tys cegie!ek:

zasi(g # >100µm

Kandydat na przyp. tau, VIII 2009

Detektory TPC

(Time Projection Chamber)

- detektory projekcji czasowej

- czyli komory dryfowe z 3-wymiarow" rekonstrukcj"

wire pitch

d

Drifting

Ionizing Track

e ^-

Electric Field

time Screen

Grid

Induction Plane

Char ge

Induction wire Signal (schematic) Waveform

T

T

T

PMT

UV Light

Amplifier

in LAr E

E

E

Detektor ICARUS

Detektor typu TPC

z ciek!ym argonem.

Detektor ICARUS

•  Zbiornik wype!niony 300 tonami ciek!ego argonu (LAr).

•  Elektrony dryfuj"

do 1.5 m

• Pole elektryczne 500V/cm

W laboratorium podziemnym Gran Sasso

ICARUS – wyniki testu na powierzchni ziemi

K+ !

µ+! e+!

Gazowy detektor TPC (Na61)

Gazowy detektor TPC