Dtecção de Partículas em Física de Altas Energias

Detecção de partículas em Física de Altas energias

A H iAna Henriques

CERN

Sumário• Os princípios de interacção das partículas com a matéria

• Os vários componentes de um detector:

- Calorímetro electromagnético e hadrónicog- Detector de traços interno - Espectrómetro de muões

• Integração num detector global

CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN

Q i tí l d d t t ?Quais as partículas que podemos detectar?• Partículas carregadas : ±±−+ μπ ,,,, peeg

• Partículas neutras:

μπ ,,,, peeνπγ 0nPartículas neutras:

• Partículas com semi-vida muito curta não são observadas de

νπγ ,,, n• Partículas com semi-vida muito curta não são observadas de

forma directa, o que detectamos serão os produtos da sua desintegração (muito frequente em experiencias de física dedesintegração (muito frequente em experiencias de física de altas energias)

• Diferentes tipos de partículas vão interagir de forma diferente com o material que constitue o detector.


q

Qual a função de um detector numa experiência de Física de altas energias?

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Em geral não se ‘vê’ as partículas criadas pela colisão mas sim os seus produtos finais (partículas d t f tõ ) ã d t t d t é d i t ã té i titcarregadas.neutras, fotões) que vão ser detectadas através da sua interacção com a matéria que constitue

as várias partes do detector .

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Qual a função de um detector numa experiencia de Física de altas energias?

Um detector ideal será aquele que permite detectar e medir as propriedades das partículas emergentes e i t i l t t t U d t t d tassim reconstruir completamente o evento . Um detector deve ter:

-Um ângulo de ‘visão máximo (com boa granularidade e sem espaços mortos).g ( g p ç )

-Efectuar medidas de momento e energia das partículas (p, E) => massa2

22222422

ccpE

mcpcmEr

r −=⇒+⋅=

-Detectar e identificar a trajectória das partículas (carga)

c

RvmBvqF 2⋅=⋅⋅=

pvmRBq r=⋅=⋅⋅⇒

-Ter uma resposta rápida de forma a medir o tempo de vida da partícula (semi-vida)

Isto só e possível utilizando vários sub-detectores complementares

As componentes de um detector num colisionador de partículasp p

Protão (7 TeV)Partícula incidente(ex: no LHC Protão (7 TeV)

DetectorCâmara de traços

Calorímetro electromagnético

Calorímetro hadrónico

Espectrometro de muões

fotões

muões

CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERNInterior Exterior

Princípios de detecçãop ç• Só é possivel medir as características duma partícula se elas interagirem com o material

do detector => criar um sinal mensurável (sinal eléctrico,luminoso,…)

As partículas carregadas vão interagir por:e-

• IonizaçãoColisões com os átomos do material absorvedor arrancando electrões e t f i d lh t d i i i i l

p

transferindo-lhes parte da sua energia inicialO número de colisões e consequente perda de energia é proporcional a densidade de electrões do meio

e- γ• ExcitaçãoExcitação do material absorvedor com libertação de fotões / luzque vão transportar parte da energia da partícula incidente

pe

p p

γ

• Mudança da trajectória das partículasCurvando as com um campo magnético medindo a sua perda de energia


– Curvando-as com um campo magnético, medindo a sua perda de energia– dispersão, mudança de direcção, absorção

Interacção das partículas neutras (fotões)Para ser detectado o fotão tem de criar ou transferir a sua energia para partículas carregadasPara ser detectado o fotão tem de criar ou transferir a sua energia para partículas carregadas

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Os e+- assim formados vão por sua vez emitir novos fotões por efeito de Bremsstrahlung.

E t i l i t t d tí l l t étiCERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN

Este ciclo vai-se converter numa cascata de partículas electromagnética

Cascata electromagnéticaCascata electromagnética

Átomo de chumboBloco de Matéria,

e.g. Chumbo

Átomo de chumbo


Interacção das partículas hadronicas carregadas (p,π,k) ou neutras (n)

A interacção de hadrões energéticos (neutros e carregados) com a matéria é



determinada por processos inelásticos, i.e., excitação nuclear que leva àfragmentação e emissão de partículas secundárias =>secundárias >

Formação de uma cascata hadrónica!

Os neutrões para serem detectados tem de criar partículas carregadas através de processos elásticos (E > 1GeV) e


d d t thi i t

de processos elásticos (En > 1GeV) e inelásticos (En < 20 MeV)


cascata hadrónica

O Princípio de detecção dos Calorímetrosp çMecanismo básico em calorimetria:

Formação de cascatas electrómagneticasFormação de cascatas hadrónicas

Transformação da energia da cascata em:Transformação da energia da cascata em:Ionização ( carga)Excitação (cintilação e luz de Cerenkov)

Método destrutivo i e Partícula e energia são absorvidasMétodo destrutivo, i.e., Partícula e energia são absorvidas.Resposta do detector ∝ Efunciona para partículas carregadas (e+/- e hadrões)

em complementaridade às medidas de momento p…em complementaridade às medidas de momento pfunciona para partículas neutras (n, fotões)

…única forma de obter directamente informação da i é i d í l


cinética de partículas neutras

Calorímetros homogéneosCalorímetros homogéneosToda a energia absorvida no detector é detectada,

‘ l l i ’ ( l í l é i d CMS ( )ex: ‘crystal calorimeters’ (calorímetro electromagnético de CMS (PbWO4):

sinal

Fotodíodo

Crystal (BGO, PbWO4,…)


Calorímetros de amostragemO material activo (menos denso ) é intercalado com um material absorvedor muito denso:

O que se detecta e uma fracção da energia absorvida , proporcional à energia incidente das partículas (ex: calorímetro electromagnético de ATLAS, todos os calorímetros hadrónicos em LHC)

…mas tem de ser calibrado …mas tem de ser calibrado com feixes de energia conhecida !!!com feixes de energia conhecida !!!

CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERNDetectores - câmaras de fios e cintiladores

Blocos densos, e.g., feitos de chumbo

Calorímetros de amostragemCalorímetros de amostragem


Calorimetros de ATLASCalorimetros de ATLASTile barrel Tile extended barrel

LAr hadronic end-cap (HEC)

LAr EM end-cap (EMEC)

LAr EM barrel


LAr forward calorimeter (FCAL)

LAr EM barrel

Calorímetro electromagnético de CMS

61200 barrel crystals 14648 endcap crystals10 3 t l y10m3 crystals


A função dos detectores de traços -Permite medir a carga e momento das partículas carregadas produzidas na colisão (na presença de um campo magnético).

- A sua trajectória vai ser reconstruída medindo vários pontos no espaço.

Usam-se materiais / detectores pouco densos de forma a minimizar a dispersão dasUsam se materiais / detectores pouco densos de forma a minimizar a dispersão das partículas e medir a sua trajectória (momento) com o maior rigor.

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Q i kTi ™ d

RvmBvqF 2⋅=⋅⋅=

pvmRBq r=⋅=⋅⋅⇒ QuickTime and aTIFF (LZW) decompressor

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Os vários tipos de detectores de traços

– Detectores de cintilação:- Orgânicos- Inorgânicos

Gases- Gases

- Detectores de ionização:Detectores de ionização:• Câmaras de deriva • MWPC (‘multi wire proportional chamber’)• TPC (Time projection chamber’• Detectores de silício


Principais técnicas usadas nos detectores de traços1) Detectores de cintilação (baseados na excitação dos seus átomos) quando partículas carregadas os ) ç ( ç ) q p g

atravessam emitem luz na zona dos ultravioleta e luz visível. Também muito usados em calorímetros:

- Gases nobres- Cristais inorganicos

Total reflectiong

- Cintiladores orgânicosScintillating

materialScintillating

material

Quando a luz das fibras cintilantes e detectada individualmente pode reconstruir-se o trajecto da partícula

•Fotomultiplicador (PM) converte o signal luminoso em sinal electricoCristais cintiladores:

Scintillatorcomposition

Density(g/cm3)

Index ofrefraction

Wavelength

of max.Em.(nm)

Decay time

Constant(µs)

ScintiPulse

height1)


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NaI(Tl) 3.67 1.9 410 0.25 100

CsI 4.51 1.8 310 0.01 6

CsI(Tl) 4.51 1.8 565 1.0 45 are needed to see this picture.Cs ( ) .5 .8 565 .0 5

CaF2(Eu) 3.19 1.4 435 0.9 50

BaF2 4.88 1.5 190/220310

0,00060.63

515

BGO 7.13 2.2 480 0.30 10

CdW04 7.90 2.3 540 5.0 40

PbWO4 8.28 2.1 440 0.020 0.1

Principais técnicas usadas nos detectores de traços (cont)2) Detectores de ionização. A partícula no seu percurso arranca electrões do detector. Um potential eléctrico criado

entre o ânodo / cátodo obriga os electrões a deslocar-se para o anodo e os ioes (+) para o catodo

+ ++Catode (-)

-- ---+

+++Sinal

MWPC (‘multi wire proportional chamber’)Premio Nobel: G.Charpak, 1992Premio Nobel: G.Charpak, 1992

TPC (‘time projection chamber’‘Drift tube’ (Geiger counter)+ HV GasGas



Anode (+) wiresAnode (+) wires Cathode (-): pads or wiresCathode (-): pads or wires MWPCgives r,φMWPCgives r,φ

EB- - - -

+ +++ -- ----

xy --

+++--

QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor x

z = vdrift tz = vdrift t


A medida do tempo de deriva (entre a

+-

Erro limitado pela dist. entre anodos=>Erro no momento e origem do traco

A medida do tempo de deriva (entre a passagem da partícula e a chegada dos electrões ao anodo) e convertida num raio atraves duma correlacao raio-tempo

100-400V/cmTempos de deriva ~ 10-100 µs

“Drifting tubes”

QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor( ) p



Espectrometro de muões de ATLASEspectrometro de muões de ATLAS

Precision chambers: T i h bPrecision chambers:- MDTs in the barrel and end-caps,- CSCs at large rapidities in the i t d t ti

Trigger chambers:- RPCs in the barrel,- TGCs in the end-caps


innermost end-cap stations

Precision alignment system

câmaras de muões de ATLAS


MWPC ITC (ALEPH)Inner Tracking Chamber


ALEPH TPC


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Detectores de ionização: ‘Silicon Microstrip’Semicondutor (Si)Semicondutor (Si)

Creation of electron-hole pairs by ionising particle

Creation of electron-hole pairs by ionising particle 0.2 - 0.3 mm

ESilicon wafers, doped

•Mesmo objectivo que os detectores de•Mesmo objectivo que os detectores de ionização de gás

•Aqui as ‘stripes’ funcionam comodíodo

-

q pos fios (ânodo ) das câmaras de fios mas com muito melhor resolução em posição ( até 10 µm).

+


“Silicon Microstrip detectors”Silicon Microstrip detectors ...OPAL VDET

Future ATLAS tracking detector

ALEPH VDET


Conceito do campo magnético em detectores




Principais características:Campo magnético homogéneo dentro do “coil”Espaço reduzido (=>custo) Grandes quantidades de material (>Z)

Principais características:Campo magnético perpendicular ao momento

Elevados B em grandes volumesGrandes quantidades de material (>Z)

Ex: de experiencias que usam um solenoid:

Inferior quantidade de material no interior (<Z)B não uniforme

Exemplo de experiencias que usam um toroid:-CMS (4Tesla=4x104Gauss) no LHC-ATLAS (2T) para o detector de traços interno - L3 (0.5T) e DELPHI (1.2T) no LEP

Exemplo de experiencias que usam um toroid:-ATLAS (~0.5T) no LHC para o espectrómetro de muões


CMS solenoid:supercondutorlength 12.5 m

ATLAS barrel toroid:supercondutor

Free bore diameter 6 mCentral magnetic induction 4 TNominal current 20 kAStored energy 2.7 GJ

length 25 mInside diameter 9.5 mCentral magnetic induction 0.4 TNominal current 20.5 kA


ATLAS Trigger DAQ Controls40 MHz Trigger DAQ

Calo MuTrChOther detectors

40 MHz

ATLAS Trigger, DAQ , Controlsrigger

Read Out Drivers

FE Pipelines

LVL1

DE

2.5 μs

75 kHz 120 GB/sRead-Out Drivers

Read-Out Buffers

Read-Out Links120 GB/s

T R/O

Lvl1 acc = 75 kHzRODRODROD

RoI

RoI data = 1-2%

HDA

2 kH~2+4 GB/s

RoI BuilderL2 Supervisor

L2 N/work

Read-Out Sub-systemsROS

ROB ROB ROBLVL2 ~ 10 ms

ROIB

L2P

L2SV

L2N

RoI requests

L

T

TAFL

~2 kHzEvent Building N/workDataflow Manager

Sub-Farm InputEvent BuilderSFI

EBNDFMLvl2 acc = ~2 kHz

Event Filter~ sec

B/s

L2 Proc Unit L2P L2N

OW

Event BuilderEB

SFI

Event Filter N/work

Sub Farm Output

Event FilterProcessors EFN

Event FilterEFP

EFPEFP

EFP

~4 G

B

EFacc = ~0.2 kHz

CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN~ 200 Hz ~ 300 MB/s

Sub-Farm OutputSFO

CMS Trigger ‘ DAQgg Q

P i i lPrinciple

Implementation40 MHz

Implementation

Fully scalable:8 x (12.5 kHz DAQ units)

100kHz


100Hz

Various counting rooms (USA15Sala onde chega a electrónica de aquisiçãoVarious counting rooms (USA15,

SDX1,US15)SDX1,US15)


Sala de aquisição de dados na superfície(no presente só raios cósmicos )

ATLAS Control Room(no presente só raios cósmicos…)


Raio cósmico detectado em ATLAS


Conceitos de detectores diferentesAlvo fixoColisionador- 4π





Ex: ATLAS e CMS no LHC

Ex: ALICE e LHCb no LHC- ATLAS e CMS no LHC

- DELPHI,ALEPH,L3,OPAL no LEP

â l ólid á i

- ALICE e LHCb no LHC- NA48 no SPS

Â l d it ã li it dCERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN

ângulo sólido máximoCompacto, Acesso difícil

Ângulo de aceitação limitadoAcesso para manutenção mais fácil

As 4 experiencias do LHC(enterradas a ~ 90m de profundidade) Colisionador 4π( p )

AtlasAlvo fixo

Colisionador 4π

Alice

LHCbCMS

Alice

LHCb


CMS


ATLAS

22 m

44 m

CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN7000 t

The ATLAS DetectorThe ATLAS Detector

ATLAS superimposed toATLAS superimposed tothe 5 floors of building 40

Diameter 25 mBarrel toroid length 26 mEnd-cap end-wall chamber span 46 mO ll i ht 7000 T

34 Countries


Overall weight 7000 Tons151 Institutions1770 Scientific Authors

LHCbLHCb

Cb



ReferênciasCh i ti J t l P ti l D t t L t f P t d t St d t d S• Christian Joram et al Particle Detectors; Lectures for Postgraduates Students and Summer Students, CERN 1998, 2003, 2005

• Sascha Schmeling , Pedro Guevara, High Schools Teachers Program CERN 2003-2006

• Werner Riegler, Particle Detector lectures for CERN summer students 2007

QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor( ) p


CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN43

Al f t d I t l ã t t dAlgumas fotos da Instalação e testes de uma experiência do LHC (ATLAS)uma experiência do LHC (ATLAS)…

Calorimetros end cap em posicao garagem


End cap ToroidsEnd-cap Toroids

CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERNCryo tower

September ‘06

calorimetros Inner tracker


TGC muon wheel LVL trigger cabling

‘inner tracker’inner tracker

May 29


Pixel

June 28


beam pipes VA-C

IonIon pump

CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERNVA-A

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