técnicas experimentales de detección de partículas

Técnicas experimentales de detección de partículas

Dra. Mary-Cruz Fouz CIEMAT

Dpt Investigación Básica

Física Experimental de Partículas y Cosmología

Master en Física Teórica – UCM (2013-14)

2013/14

2

Índice Introducción Procesos de interacción de las partículas con la materia Detectores de Ionización

Detectores gaseosos Detectores de estado sólido

Detectores de centelleo Detectores de fotones Calorimetría PID – Identificación de partículas

TOF dE/dX Detectores Cherenkov TRD

Técnicas experimentales

Detectores de Fotones

Detectores de Fotones

2013/14 Técnicas Experimentales

4

Existen distintos detectores usados comúnmente como detector de fotones acoplado a un material de centelleo. El objetivo es transformar la luz en una señal eléctrica medible

- Foto detectores de vacío- PMT – Photo Multiplier Tube- MCP – Microchannel Plates

- Detectores de estado sólido (ya discutidos) como p.ej.- APD - SiPM

- Detectores híbridos- HPD

PMT – Photo Multiplier Tube


5

1934 Harly Iams & Bernand Salzberg (RCA)

Componentes principales:

FotocátodoDinodosÁnodo

PMT – Photo Multiplier Tube6

El primer paso es convertir el fotón incidente en un electrón.Esto se hace usando un fotocátodo donde el fotón producirá un electrón por efecto fotoeléctrico.

QE (Quantum Efficiency)

𝑬 𝒆=𝒉𝝂𝟎−𝑬𝒃

El fotón incidente tiene que tener suficiente energía para emitir el electrón del átomo y para arrancarlo de la superficie (función de trabajo) del material

Los fotocátodos tienen que ser delgados para que el electrón pueda llegar hasta la superficie

𝑄𝐸=𝑁𝑒−ⅇ𝑚𝑖𝑡𝑖ⅆ𝑜𝑠𝑁𝛾

QE depende de la longitud de onda del fotón


PMT – Photo Multiplier Tube7

1934 Harly Iams & Bernand Salzberg (RCA)

Una vez que el electrón entra en el tubo de vacío se acelerará por el campo eléctrico y se dirigirá al electrodo (dinodo) donde puede producir electrones secundarios. Estos electrones a su vez se dirigen al siguiente dinodo pudiendo ionizar de nuevo.

Proceso de avalancha

En los dinodos convencionales la ganancia ~5La ganancia total dependerá del número de dinodos usados pudiéndose alcanzar G~106-108

El último electrodo es un ánodo donde se recogen los electrones y se produce la señal.

Los PMT se ven afectados por el campo magnético, incluso a veces el terrestre (pueden requerir apantallamiento, mu-metal), por lo que no pueden trabajar dentro de un imán.

La respuesta de un PMT es muy rápida <ns


MCP - Micro Channel Plate


8

En lugar de dinodos discretos toda la parte interna del tubo es un dinodo continuo

Debido a las grandes fluctuaciones en la ganancia se opera en modo saturado

Respuesta binaria independiente del numero de fotones incidentes

Son muy rápidos, resolución ~20psBuena resolución espacialPueden operar con campos de 0.1T en cualquier dirección y hasta 1T en la dirección axialTiempo de vida limitado (0.5 C/cm2) no suelen usarse en experimentos de HEP

Single Channel

Channel

Pueden combinarse en planos

HPD – Hybrid Photon Detectors9

Permiten aprovechar la excelente resolución espacial y energética de los detectores de silicio.

50mm

Pixel-HPD anode

8192 pixels of 50 × 400 mm.

10-inch prototype HPD (CERN)for Air Shower Telescope CLUE.

Los fotones producen electrones en el fotocátodo.

Los electrones al entrar en el tubo de vacío son acelerados (DV ~20-20kV) y focalizados hacia al detector

La ganancia se produce en un solo paso en el detector de silicio (menores fluctuaciones en la ganancia que en PMT)


Calorimetría

2013/14 Técnicas experimentales

11Calorimetría – Principios generalesLos calorímetros se utilizan para medir

- Energía de las partículas

- Posición

- Naturaleza de la partícula

Conceptualmente es un bloque de materia suficientemente grande para que la partícula sea absorbida completamente y transforme parte de la energía en una señal medible proporcional a la energía incidente.

Las partículas interaccionan con el material y crean partículas secundarias que a su vez pueden dar lugar a otras nuevas generándose una cascada de partículas.

Los procesos que forman la cascada dependen del tipo de partícula y material. Podemos distinguir dos tipos: Cascadas electromagnéticas (e, ) Cascadas hadrónicas (, p, K n, K0

L )

Es un proceso destructivo

Los muones y neutrinos no son absorbidos en los calorímetros.Podemos identificar que se trata de un muon porque penetra todo el calorímetro y deja una señal compatible con una MIPLos neutrinos no dejarán señal

Permiten medir tanto partículas cargadas como neutras


12Calorimetría – Principios generales

Por su configuración podemos distinguir:

Calorímetros homogéneos: Formados por un solo material que sirve para absorber las partículas y producir la señal

Los calorímetros de muestreo utilizan como medio activo distintos tipos de detectores como descritos en clases anteriores

Calorímetros de muestreo Formados por dos materiales:

- Absorbente, de mayor densidad (alto Z) donde se absorbe la partícula y se produce la cascada

- Medio Activo o de lectura, donde se produce la señal (solamente se leerá la señal de una parte de la cascada)

Cascada Electromagnética – Procesos implicados


13

En la interacción con la materia los principales procesos por los que pierden energía

Electrones/positrones

Fotones

Ionización/excitaciónBremsstrahlung

Efecto fotoeléctricoEfecto ComptonProducción de pares

Cascada electromagnética – Desarrollo de la cascada


14

Un electrón que atraviese el material producirá fotones debido al bremsstrahlung Esos fotones se aniquilarán produciendo pares e+e-Los nuevos e+ y e- radiarán más fotones que a su vez producen más pares e+e-

Si la cascada la inicia un fotón producirá pares e+e- y a partir de ahí continúa desarrollándose la cascada.

e-

e+e+

e+

e+

e+

e+

e+

g

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

g

g

g g

gg

Llega un momento en la que el número de partículas deja de aumentar ya que cada partícula nueva tiene menos energía que la anterior.

Cuando los fotones emitidos tienen E < los fotones sólo podrán producir 1 electrón

Cuando la energía de los e+ y e- disminuye las pérdidas por ionización se van haciendo más importantes y por debajo de la energía crítica la cascada empieza a decrecer.

Desarrollo cascada EM- Un modelo intuitivo simplista


15

Recordemos que, para el bremsstrahlung

ⅆ 𝐸ⅆ 𝑥

=𝐸𝑋 0

En una longitud X0 el electrón habrá perdido 2/3 de su energía por bremsstrahlung

X0 = Longitud de radiación

Número partículas

En una longitud X0 un fotón tiene una probabilidad de 7/9 de producir un par e+e-

De forma simplista, y asumiendo que son los únicos procesos, podemos considerar que un e- al atravesar un espesor X0 habrá dado lugar a un par electrón positrón.

Tras haber atravesado un espesor n=tX0:

𝑁 (𝑡 )=2𝑡

𝐸 (𝑡 )=𝐸02𝑡

Y la sección eficaz de producción de pares

Energía por partícula

La cascada empieza a decrecer cuando = Energía crítica ()

𝑁 (𝑡max )=𝐸0

𝐸𝑐

𝑡max=1.44 ln (𝐸0

𝐸𝑐 )

Cascada electromagnética - Perfil longitudinal


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ⅆ 𝑬ⅆ 𝒕

=𝑬𝟎𝒃𝜶+𝟏

𝜞 (𝜶+𝟏 )𝒕𝜶𝒆−𝒃𝒕

Parametrización del perfil longitudinal

t = espesor absorbente en unidades de X0 (t=x/X0)

a y b dependen de la energía incidente

El máximo de la cascada: 𝑡max=ln( 𝐸0𝐸𝑐)+𝐶𝑖

ⅈ=ⅇ ,𝛾𝐶𝑒=−0.5𝐶𝛾=+0.5

La profundidad media de la cascada = profundidad a la que una partícula deposita la mitad de su energía

𝑡𝑚𝑎𝑥 ≈ 𝑡𝑚𝑒𝑑−1.5

El 95% de la cascada estará contenida en una longitud

Esto nos permite calcular el tamaño del calorímetro: un e- del 10 GeV necesita ~25X0

Cascada electromagnética – Perfil transversal


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Las partículas producidas en la cascada se producen con un ángulo respecto a la dirección incidente. - Producción de pares - Bremsstrahlung

Además 1.- Los electrones experimentan dispersión múltiple Domina en las primeras fases de la cascada

CentralCore Halo

El perfil transversal puede describirse por una suma de dos gausianas

2.- Los fotones de baja energía pueden viajar bastante lejos del eje de la cascada (especialmente si vienen de electrones que ya se encontraban bastante alejados) Forma un halo de menor energía, domina tras haberse alcanzado el máximo

Cascada electromagnética – Perfil transversal


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El ensanchamiento promedio de un haz de electrones de Ec después de atravesar un espesor X0 define el radio de Molière

𝜌𝑀=21.2𝑀 ⅇ𝑉

𝐸𝑐

⋅ 𝑋 0

𝐸𝑐≈550𝑀𝑒𝑉

𝑍

Cuanto más denso sea el material más estrecha será la cascada

𝑋 0≈180𝐴𝑍 2 𝑔𝑐𝑚

−2

𝜌𝑀∝𝐴𝑍

90% de la energía de la cascada está dentro de 195% en 299% en 3.5

Cascadas EM. Propiedades de algunos materiales


19

Valores de X0, Ec y para distintos materiales usados en calorimetría

Cascadas Eletromagnéticas – Resolución en energía


20

Dependiendo del material del calorímetro se producirán señales a partir de ionización, luz de centelleo, luz Cherenkov… La medida de la energía está influenciada por las fluctuaciones en los distintos procesos de la cascada y formación de señal.

Es un proceso estadístico y el ancho de la distribución sería:

𝜎 (𝑁 )𝑁

= 1

√𝑁Como𝑁∝𝐸0

𝜎 (𝐸 )𝐸

=𝑎ⅈ√𝐸

= resolución intrínseca es una constante de cada calorímetro particular.

Límite inferior en la resolución.

En un calorímetro real hay más contribuciones a la resolución. En general podemos escribir la resolución como:

𝜎 (𝐸 )𝐸

= 𝑎√𝐸

⊕𝑏⊕ 𝑐𝐸

a = término estocásticob = término independientec = término de ruido

Cascadas Eletromagnéticas – Resolución en energía


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𝜎 (𝐸 )𝐸

= 𝑎√𝐸

⊕𝑏⊕ 𝑐𝐸

a = término estocásticoFluctuaciones intrínsecas de la cascada y el proceso que produce la señalFluctuaciones de muestreo

b = término independientePérdida de parte de la cascada por no estar totalmente contenida dentro del calorímetroEspacios muertos en el detectorFalta de uniformidadErrores de intercalibración de los canalesFalta de linealidad en la respuesta de la electrónica

c = término de ruidoRuido electrónico

Cascadas e.m. – Resolución energía calorímetros de muestreo


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En el caso de calorímetros de muestreo sólo las partículas que cruzan el medio se detectanSe denomina fracción de muestreo (“sampling fraction”) a:

La distribución espacial de la cascada cambia de suceso a suceso pero los planos de lectura están fijos Fluctuaciones extra en el número de partículas que se detectan

Habría que añadir otra componente al término estocástico

𝜎 (𝐸 )𝐸 |

𝑡

=𝜎 (𝐸 )𝐸 |

𝑖

⊕𝜎 (𝐸 )𝐸 |

𝑠

=√𝑎𝑖2+𝑎𝑠2√𝐸

= 𝑎√𝐸

𝜎 (𝐸 )𝐸 |

𝑠

=𝑎𝑠√𝐸

Efectos que contribuyen a las fluctuaciones de muestreo:

Fluctuaciones de muestreo intrínsecaVariación número partículas cruzando el medio activo

Fluctuaciones de LandauDiferencias en la energía depositada por partículas iguales

Fluctuaciones de longitud de trazaPartículas con ángulos distintos no recorren la misma distancia en el medio activo

Energía depositada material activoEnergía depositada material pasivo

Resolución para diversos calorímetros electromagnéticos


23

Cascada hadrónica - Espalación


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Conceptualmente es análogo a la cascada e.m. pero mucho más complejaMayor variedad y complejidad de procesos implicados

Un hadrón al penetrar en el material ionizará el material hasta que se aproxime lo suficiente a un núcleo como para experimentar una interacción fuerte y lo más probable es que se produzca un proceso de espalación:

I. Una serie de colisiones de partículas independientes dentro del núcleo, los nucleones tienen energía para viajar dentro del núcleo e interaccionar con otras Cascada intranuclearSe pueden crear piones y otros hadronesEstas partículas puede llegar a escapar del núcleoEsta primera fase Espalación rápida

II. Los núcleos posteriormente se podrán desexcitar emitiendo partículas (principalmente n,g)Si el material es pesado puede producirse fisión originando energía (160-210 MeV) (Cinética + excitación). Se desexcitarán emitiendo n,g

Cascada hadrónica


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Algunas de las nuevas partículas sufren sólo interacciones electromagnéticas (p.ej. g producidos de las desintegraciones de p0 y h).

En las primeras fases de la cascada hadrónica las partículas son muy energéticas y pueden producir piones.

El número promedio 𝑁 𝜋=2( 𝐸0𝑚𝑛𝑐

3 )14

y = masa y energía del nucleón incidente

1/3 serán p0

El número de p0 producidos varía mucho de un suceso a otro.Depende de la primera fase de la cascada donde el proceso es posible

La cascada hadrónica tendrá dos componentes1. Una cascada electromagnética por e+,e-, g, (originada principalmente desde p0)2. Una cascada puramente hadrónica (p,K,p±, iones ligeros…)

En las cascadas hadrónicas no toda la energía del hadrón incidente se convierte en energía detectable. La energía “invisible” (hasta el 40%) es debida a:

- Neutrinos no interaccionan en el material - Muones depositan una pequeña fracción de su energía- Neutrones lentos que pueden escapar del detector- Energía de ligadura y retroceso nuclear (la contribución más importante)

Cascada hadrónica. Perfil longitudinal


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𝜆𝐼=𝐴

𝑁 𝐴𝜌𝜎 𝑖

= peso atómico = Número de Avogadro = Densidad del material = Sección eficaz inelástica

Equivalente al X0 en las e.m

El perfil longitudinal puede parametrizarse con una función fenomenológica

ⅆ𝑬=𝑲 {𝒘 𝑺𝒂−𝟏ⅇ𝒃𝒔+(𝟏−𝒘 ) 𝒕𝒄−𝟏ⅇ−ⅆ𝒕 }ⅆ 𝒔= Factor de normalizacióny = Pesos relativos de ambas curvas = Profundidad desde el origen de la cascada en unidades de X0 = Profundidad desde el origen de la cascada en unidades de , , , = Parámetros de ajusto a los datos

El primer término describe la energía e.m depositada cerca del vértice de la cascadaEl segundo describe la dependencia exponencial a largas distancias de la parte hadrónica

𝑡𝑚𝑎𝑥≈0.2 ln𝐸 (𝐺𝑒𝑉 )+0.7 𝐿 (95% )=𝑡max+2.5 𝜆𝐼

6 para hadron 5 GeV, >9 para 210 GeV

Longitud de interacción, Recorrido libre medio de una partícula antes de que experimente una reacción nuclear inelástica

Cascada hadrónica: Perfil transversal


27

Es mayor que en una e.m

Tiene dos componentes:

Una parte central altamente energética con la componente e.m

Una parte periférica sobre todo con n de baja E

R

Cascadas hadrónicas: Compensación


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Cada tipo de partícula contribuye a la señal de forma diferente.Podríamos escribir

𝑆=𝑆𝑒𝑚+𝑆h𝑎𝑑=ⅇ 𝒇 𝒆𝒎𝑬+𝒉 𝒇 𝒉𝒂𝒅𝑬

y = Fracciones de la energía total depositada a través de las componentes e.m. y hadrónicae y h = Ctes de calibración para cada parte

Si e/h = 1 Calorímetro compensante

Las fluctuaciones son distintas en p y p

300 GeV

en Cu

Cascadas hadrónicas: Compensación


29

Se puede intentar igualar las componentes e.m y hadrónica y obtener compensación por medio de:

Técnicas software

Hardware

- Aumentar la respuesta hadrónica via fisión (238U como absorbente - n de E<1GeV producen fisión y dan lugar a más n)

- Aumentar la detección de los n (usando H2)- Usar material de alto Z que reduzca la señal

e.m y optimizar la relación entre espesor absorbente y medio activo

Segmentar el calorímetro en celdas/planos y dar menor peso cuanto mayor sea la densidad de energía

L3

Cascadas hadrónicas– Resolución en energía


30

Al igual que para calorímetros electromagnéticosEn general podemos escribir la resolución como:

𝜎 (𝐸 )𝐸

= 𝑎√𝐸

⊕𝑏⊕ 𝑐𝐸

a = término estocásticob = término independientec = término de ruido

Fluctuaciones intrínsecas, fluctuación de la componente e.m.

Dominadas por la primera interacción elástica en donde se pueden producir p0 Pocas partículas implicadas Fluctuación grande

Producen un término independiente

Dos casos extremos1.- Toda la componente se deposita a través de la componente e.m2.- No hay producción de piones neutros, solo componente hadrónica

La resolución será combinación de todos los posibles casos intermedios.

Los calorímetros no compensantes Peor resolución

Señal/GeV (Unidades arbitrarias) Señal/GeV (Unidades arbitrarias)

Componente electromagnéticaComponente electromagnética

Componente puramente hadrónica

Componente puramente hadrónica

N s

uc

es

os

(U

nid

ad

es

arb

itra

ria

s)

N s

uc

es

os

(U

nid

ad

es

arb

itra

ria

s)

Calorímetro NO compensante Calorímetro compensante

Cascadas hadrónicas– Resolución en energía


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Fluctuaciones en la energía no detectable (“invisible”) en los procesos nucleares. (liberar nucleones y energía retroceso núcleos)Pueden ser ~30-35% para hadrón 1 GeV Peor resolución que los calorímetros electromagnéticos

Si se consigue detectar neutrones de forma eficiente puede hacerse “visible” parte de esa energía

Al igual que los calorímetros electromagnéticos presentan también Fluctuaciones de muestreo Fluctuaciones debido a

Ruido Falta de uniformidad Errores de intercalibración Pérdida de parte de la cascada por no estar contenida dentro del calorímetro

Algunas partículas producirán la cascada al principio del calorímetro otras al final dando lugar a importantes diferencias si algunas cascadas no están contenidas en él

….

Cascadas electromagnéticas y hadrónicas


32

Medida de la posición


33

En un experimento no sólo necesitamos la energía de las partículas sino su posiciónEsto es posible segmentando el calorímetro transversal y longitudinalmente y calculando la posición de la partícula por medio del centro de gravedad de la cascada.

Para calorímetros e.m tamaño de la celda < 1rM

Resoluciones típicas

𝑚𝑚/√𝐸

1 2 3

4 5 6

7 8 9Cascada e.m

𝑋=∑𝑖=1

9

𝐸 𝑖𝑥 𝑖

∑𝑖=1

9

𝐸𝑖

Calibración34

Una buena calibración del calorímetro es esencial para poder obtener medidas de precisión. La calibración da la correspondencia entre la señal del detector y la energía de la partícula. Cada sección del calorímetro debe de ser calibrada (tanto el detector como la electrónica pueden no ser perfectamente homogéneos)

Para esta calibración podemos hacer uso de: Pruebas con haces de partículas de tipo y energía conocidos a priori permiten

conocer la relación entre la señal y la energía. Fuentes radiactivas, rayos cósmicos, pulsos de luz En un experimento en colisionadores se usa la información de otros

subdetectores como señal de referencia así como la medida de canales ya conocidos para calibrar o comprobar la calibración

-> h g g

Ejemplos de calorímetros


35

LHCB

Calorímetro homogéneo Cristales : PbWO4ECAL

Ejemplos de calorímetros


36

Absorbente: Pb inmerso en Ar líquido

ECAL

𝜎 (𝐸 )𝐸

=10%√𝐸

⊕ 0.7

The ALICE Zero Degree Calorimeters (ZDC)Fibras cuarzo Luz cherenkov

Steel+scintillator Luz transmission by wavelength shifter fibers

𝜎 (𝐸 )𝐸

=50%√𝐸

⊕3%

ATLAS TileCal(hadronic)

Detección y medida en experimentos de física de partículas


37

Un experimento de física de partículas hace uso de distintos detectores para medir las distintas partículas.

En estos experimentos se producen partículas individuales y jets (chorros de partículas producidas en el proceso de hadronización a partir de los quarks y gluones)

El modo tradicional de medir la energía de los jets es medir la energía total depositada el los calorímetros electromagnético y hadrónico.

Medida de la energía de un jet & Particle Flow Calorimetry


38

En promedio la composición del jet es aproximadamente:

60-70% partículas cargadas ( , p K principalmente)

20-30% fotones 10% partículas neutras

En la medida tradicional, la resolución de la medida está dominada por la resolución del calorímetro hadrónico

Podríamos mejorar la precisión de la medida si fuésemos capaces de distinguir cada partícula individual del jet y medir cada una con el detector que proporcione la mejor resolución

Partículas cargadas en el tracker Casi perfectaFotones en el calorímetro e.m Hadrones neutros en el calorímetro hadrónico

Solo los hadrones neutros (~10% de las partículas) se miden con la mala precisión del calorímetro hadrónico

Particle flow Calorimetry

Calorímetros para Particle Flow


39

Objetivo: La mejor resolución energética posible (como en cualquier otro calorímetro)Reconstruir cada partícula individual en el jet y asociarla con su traza correspondiente en el detector de trazas

Necesitamos una muy buena resolución en posición

Muy alta segmentación longitudinal y transversalmente

Decenas de millones de canales en un experimento frente a decenas de miles en el caso de la calorimetría convencional

Gran reto tecnológico

En fase de I+D en la colaboración internacional CALICE CAlorimeter for LInear Collider Experiment

CALICE SDHCAL. Un ejemplo de alta segmentación

40

Calorímetro de muestreo:

SDHCAL: SemiDigital Hadronic Calorimeter

Absorbente: Planos de acero inoxidable (2cm entre planos consecutivos)

Detector: GRPC (Glass Ressitive Plate Chambers) Lectura pads: 1x1cm2

144 ASICs= 9216 channels/1m2

Top view

Electronic plane 1m2 1 pad= 1cm2 , interpad 0.5 mm

Bottom view

ReadoutChip

Prototipo 1m3: 50 planos GRPC~ medio millón de canales

~ medio millón de canales de lectura en sólo 1m3

Visualización de la señal de las cascadas de varias partículas incidentes simultáneamente

@ CERN Test beam

Bélgica, Francia, España (CIEMAT)


Identificación de Partículas

PID

Identificación de partículas


42

La identificación de partículas es un aspecto crucial en los experimentos de física de partículas.

Electrones y hadrones producen cascadas diferentes en los calorímetros.

Las medida de la masa puede obtenerse a partir de la relación entre el momento y la velocidad. 𝑝=𝛾𝑚𝑣

Las partículas pueden ser identificadas por su masa y por el modo en que interactúan con el medio.

Los hadrones neutros además no dejarán señal en el detector de trazas porque no ionizan el medio

Los fotones tampoco ionizan, producirán un par e+e- y una cascada e.m

Los muones ionizan, atraviesan todo el sistema de detectores depositando poca señal en ellos (MIP)

Necesitamos medir el momento y la velocidad

Identificación en calorímetros


43

Dimensiones transversas (e más estrechas, rm vs lI)Punto de comienzo de la cascada (e antes, X0 vs lI )Longitud de la cascada ( e más cortas, ~20 X0 >7 )

𝜆𝐼 / 𝑋 0∝ 𝑍4 /3

Muones muy penetrantes pero poca deposición energía y estrecha

Podemos utilizar las diferencias entre cascadas hadrónicas y e.m para distinguir partículas. Podemos desarrollar algoritmos haciendo uso de características como:

44

Medida del momentoUna partícula cargada moviéndose en un campo magnético experimenta la fuerza de Lorentz que modifica su dirección haciéndole seguir una trayectoria helicoidal

La curvatura depende del momento. A mayor momento menor curvatura(Si conocemos la carga podemos medir el momento)

p=qBr

dp

dtq

cvB

B

sin q = l/r sin q = l/r = q l B /p

La dirección en la que se curva nos indica el signo de la carga de la partícula

Al igual que un prisma descompone los diferentes colores de la luzLos imanes nos permiten determinar el momento de la partícula midiendo cómo se curva debido al campo magnético

La dispersión múltiple deteriora la medida del momento


Medida de la velocidad


45

Podemos medir la velocidad de una partícula a través de:

Medida del tiempo de vuelo entre dos detectoresPérdidas por ionización dE/dxÁngulo de los fotones CherenkovRadiación de Transición

Tiempo de vuelo – TOF (Time Of Fly)


46

Midiendo la diferencia de tiempo ente 2 detectores que tengan buena resolución temporal, p. ej.

Plástico centelleador + PMTRPC

𝑝=𝛾𝑚𝑣 𝑚=𝑝𝑐 √𝑐2𝑡 2𝑙2 −1

Detector1 Detector2

partícula

𝒍

MRPC: RPC MultiGap

ALICE TOF: Mide el tiempo de vuelo respecto al tiempo de la colisión

157248 readout chanels

dE/dx

Pro

bab

ilid

ad

dE/dx47

2

2ln

14 2

222

2222

I

cm

A

ZzcmrN

dx

dE eeeA

Fórmula de Bethe-Bloch

dE/dx es una función de la velocidad bPara partículas de masa diferente, dE/dx vs p Curvas desplazadas

El mayor problema son las fluctuaciones de Landau

Se necesita hacer muchas medidas y eliminar los valores con una gran pérdida de energía Valor medio truncado

Un detector adecuado para ello TPC

ITS=Inner Tracking System𝝈ⅆ 𝑬/ⅆ 𝒙≈𝟓%

TPC

159 ionization samples/particle570132 readout channels

Ne/CO2 (90/10)

TPC

ITS

Online event


RICH (Ring Imaging Cherenckov) detector (I)

48

cos𝜽=1𝒏 𝜷

Recordemos que, si una partícula viaja en medio a una velocidad superior a la luz en ese medio, se emite luz Cherenkov.El ángulo de apertura depende de la velocidad

Midiendo el ángulo de esa luz respecto a la trayectoria de la partícula podemos medir su velocidad

La luz emitida en un instante t formará un cono. En un plano perpendicular a la dirección de la partícula la luz forma una circunferencia, un anillo.

t t t+d

Si la luz se produce en un medio (radiador) muy delgado, dará lugar a un anillo con un grosor que viene determinado por el espesor del medio

Si usamos un radiador con el mismo espesor pero hecho de varios índices de refracción.

radiador

Proximity focusing RICH

Podemos aumentar el espesor del radiador + fotonessin degradar la resolución del detector

El aerogel (SixOy) permite regular n entre 1.01 y 1.13

La luz emitida en el instante t+d dará lugar, en ese mismo plano, a otro anillo de menor radio.


RICH (Ring Imaging Cherenckov) detector (II)


49

Podemos hacer uso de un espejo para focalizar la luz

Focusing RICH

En cualquiera de los diseños necesitamos un detector de fotones que nos permita una medida de la posición para reconstruir los anillos y calcular la velocidad de la partícula.

Detectores RICH de AMS & LHCb 50

Radiador dual:Aerogel(n=1.050)NaF (n= 1.334)

PMTs acoplados a guías de luz(pixel 8.5mm)

RICH assembly @ CIEMAT

Proximity focusing RICH

Fotodetector:HPD

Focusing RICHAlpha magnetic spectrometer

2013/14

TRD – Transition Radiation Detector

51

Cuando una partícula atraviesa la frontera entre dos materiales con distinta constante dieléctrica se produce radiación de transición.

La energía de los fotones emitidos Permite identificar partículas, en general sólo e+,e- altamente energéticos emitirán con intensidad detectable

El número de fotones 𝑁 h𝑝 ∝𝑍2

137Necesitamos un radiador con muchos planos para producir suficientes fotones.También serviría un material poroso

El material tiene que tener baja absorción de rayos-X

Polymethacrylimide foam (Rohace HF71) Polypropylene fiber radiator (d ≈ 25 mm)


Ejemplos detectores de radiación de transición

52

Tubos deriva Gas: Xe(70%) CO2(27%) O2(3%)

Radiador: propileno (fibras-barril, espuma-endcap)

Detecta Trazas & TR

Transition Radiation Tracker

Xe(85%) CO2(15%)

Fibras propileno

Señal TR

Señal dE/dx

Xe:Buena absorción rayos-X CO2&O2: Aumenta Vd y quenchers de fotones2013/14 Técnicas experimentales

Técnicas experimentales

53------

2013/14

técnicas experimentales de detección de partículas

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