Ubrzivači i detektori u fizici elementarnih česticaplaninic/predavanja/fec5.pdf · Da li postoji neka zakonitost u njihovim masama? Da li na višim energijama možemo očekivati

Mirko PlaninićPMF

Mirko PlaninićFizika elementarnih česticastudeni 2003

UbrzivaUbrzivaččii i detektori u fizici i detektori u fizici elementarnih elementarnih ččesticaestica


ČČerenkoverenkovljeviljevi detektoridetektoriHibridni detektori (STAR, ATLAS)Hibridni detektori (STAR, ATLAS)Od ubrzivaOd ubrzivačča do a do suprasudarivasuprasudarivaččaa

SSaažžetaketak

SadrSadržžajaj

Elektromagnetski Elektromagnetski kalorimetarkalorimetar

Hadronski Hadronski kalorimetarkalorimetar

MnogoMnogožžiiččane komoreane komore

PoluvodiPoluvodiččki ki detektoridetektori


UbrzivaUbrzivačči i otkrii i otkrićća novih a novih ččesticaesticaNajvažnija otkrića novih čestica nakon primjene ubrzivača


Za vidjeti najmanje čestice:potrebne su najveće energije!

E = mc2


E = mcE = mc22


UUranjanjeranjanje u u subatomskisubatomski svijetsvijetDa bismo “elektronskim mikroskopom” postigli rezoluciju

treba elektrone ubrzati na energijufmmx 110 15 =≅Δ − GeVxcE 1≅

Δ≅


MoMožžemo li koristiti kozmiemo li koristiti kozmiččke zrake ?ke zrake ?


Van de Van de GrafovGrafov ubrzivaubrzivačč

Što je ograničavajući faktor?


Princip rada linearnog ubrzivaPrincip rada linearnog ubrzivaččaa

SIMULACIJA


LinearniLinearni ubrzivaubrzivačč

a) lin. ubrz. za Cs-137, f=10MHz, V0=100kV, Ti=1MeV

b) električno polje u t=0(ubacivanje iona)

c) električno polje u t=1/2f(f je RF frekvencija)


KruKružžni ubrzivani ubrzivačč (ciklotron)(ciklotron)

eBmvR =

eBmvR =


Ostali kruOstali kružžni ubrzivani ubrzivaččiiSinkrociklotron –

prethodnik sinkrotronamag. polje konstantnorf frekvencija se mijenja da bi se održala

sinkronizacija u relativističkom režimu

Sinkrotronmagnetsko polje i rf frekvencija se mijenjaju da bi se

čestice održale na stalnom polumjeru


BetatronBetatron

Zasnovan na principu mag. Indukcije.Podesan za elektrone.Konstruiran 1941 (D.W. Kerst).Uzima se takva promjena toka da

omjer v i B u relaciji budestalan. eB

mvr =


OgraniOgraniččavajuavajućći faktori krui faktori kružžnih nih ubrzivaubrzivaččaa

1) Gubitak energije zračenjem:R

eRE

34

2

422 γβππ

=Δ

mE

=γ 1≅=cvβ

Luminoznost:

3) Raspoloživa energija:

2) Istraživanja na malim dimenzijama mali udarni presjekL=broj čestica u jed. vrem./jedinica površine

Vjerojatnost događaja=udarni presjek * luminoznost

~)( 2ba pps += bamE

24EZa fiksiranu metuZa sudarivač EEE ba ==


UbrUbrzavanjezavanje ččesticaestica

televizija je ubrzivac čestica u malom!


SudarivaSudarivaččii


LHCLHC


Bunch Crossing 4 10 7 Hz

7x10 12 eV Beam Energy1034 cm -2 s-1 Luminosity2835 Bunches/Beam1011 Protons/Bunch

7 TeV Proton Protoncolliding beams

Proton Collisions 109 Hz

Parton Collisions

New Particle Production 10-5 Hz(Higgs, SUSY, ....)

p pH

µ+

µ-

µ+

µ-

Z

Zp p

e- νe

μ+

μ−

q

q

q

qχ1

-

g~

~

χ20~

q~

χ10~

Tražimo 1 događaj od 10,000,000,000,000

7.5 m (25 ns)

LHCLHC sudari: igla u plastu sijena!sudari: igla u plastu sijena!


RRHICHIC

New York New York CityCity

RelativisticRelativistic HeavyHeavy Ion Ion ColliderCollider (RHIC)(RHIC)BrookhavenBrookhaven NationalNational LaboratoryLaboratory (BNL)(BNL)LongLong Island , NYIsland , NY


Energija snopa: 100 GeV

Luminoznost: ∼ 5 • 1029 s-1 cm-2

Integrirana luminoznost: ∼ 0.3pb-1

Bunch crossing time: 213ns

Polarizacija: ∼ 0.2 (transverse)

RHIC performanse u FY02: RHIC performanse u FY03:

Energija snopa: 100 GeV

Luminoznost: ∼ 2 • 1030 s-1 cm-2

Integrirana luminoznost: ∼ 0.5 pb-1 (transferzalna)

∼ 0.4 pb-1 (longitudinalna)

Bunch crossing time: 213ns

Polarizacija: ∼ 0.3 (transferzalna i longitudinalna)

AGS

LINAC BOOSTERPol. Proton Source500 mA, 300 ms

Spin RotatorsPartial Siberian Snake

Siberian Snakes

200 MeV PolarimeterAGS Internal Polarimeter

Rf Dipoles

Absolute Polarimeter(H jet)

2 × 1011 Pol. Protons / Bunchε = 20 π mm mrad

PHENIX

PHOBOS BRAHMS & PP2PP

STAR

Siberian Snakes

FY02 devices

FY03 and beyond

RHIC pC Polarimeter

FY03 devices

AGS pC Polarimeter

Lmax = 2 x 1032 cm-2s-1

70% Beam Polarization50 < √s < 500 GeV

RHIC-spin


Detekcija česticaDetekcija Detekcija ččesticaestica

Kako ćemo detektirati čestice ?

Manji momentVećimoment


Detekcija česticaUvodUvod u detekciju u detekciju ččesticaestica

Scintilatorima


Detekcija česticaUvodUvod u detekciju u detekciju ččesticaestica

Detektori označeni zelenom bojom bit će opisani u Nuklearnoj fizici

Detektori označeni zelenom bojom bit će opisani u Nuklearnoj fizici

Prijenos energije može biti opažen u detektorima kao:

Nabijene teže čestice prenose energiju sredstvu kroz koje prolaze: Ionizacijom Pobuđenjem atoma

Elastičnim sudarima s jezgramaČerenkovljevim zračenjemNuklearnim reakcijamaZakočnim zračenjem

Više o tome u FEM-u

} Neelastični sudari

Nabijeni ioni (proporcionalni brojač, mnogožičane komore)Scintilatorska svjetlost (scintilatori)Čerenkovljevo zračenje (čerenkovljevidetektori)


Uvod u detekciju Uvod u detekciju ččesticaestica

Elektroni i pozitronizbog male mase prenose energiju

uglavnom: Zakočnim zračenjem

(Bremsstrahlung)

Fotoni (x zrake i gamma zrake)prenose energiju :

Fotoelektričnim efektomCompton raspršenjemProizvodnjom parova

• Fotoni prodiru dublje u materiju nego nabijene čestice

• Snop fotona ne gubi energiju prolaskom kroz materiju nego

intenzitet

• Fotoni prodiru dublje u materiju nego nabijene čestice

• Snop fotona ne gubi energiju prolaskom kroz materiju nego

intenzitet

Na energijama fotona u FEČdominantan je proces proizvodnje parova

Detekcija elektrona, pozitrona i fotona


Detekcija neutronaUvodUvod u detekciju u detekciju ččesticaestica

Neutroni međudjeluju s materijom jakominterakcijom (10-15 m):Elastično raspršenjeNeelastično raspršenje (pobuđenjem jezgre)

Uhvat neutrona (na niskim energijama~MeV)Druge nuklearne reakcije (n,p), (n,d)Fisija (n,f)Visoko energijska proizvodnja hadronskog pljuskaE > 100 MeV

Više o tome u FEM-u


ČČerenkovljevierenkovljevi detektoridetektori

Čerenkovljev efekt nastaje kad se nabijena čestica kreće brzinomvećom od c/n (brzinom svjetlosti u tom mediju) gdje jec brzina svjetlosti u vakuumu

n index loma u tom sredstvu

Emitira se “udarni val” fotona


ČČerenkovljevierenkovljevi detektoridetektori

Svojstva čerenkovljevih detektoraMjerenjem kuta mjerimo brzinu

Dominira plava svjetlostnct

nctββ

θ 1/cos ==

Broj fotona ~2

1λ

λ-valna duljinaPrimjena čerenkovljevih detektora

Detektori praga (razdvajanječestica istog impulsa a različitihmasa)Identifikacija čestica(RICH STAR)


KalorimetriKalorimetri

Energija i pozicija čestica se može mjeriti metodamatotalne apsorpcije :

Ulazna čestica interagira u detektoru velike mase,stvarajući sekundarne čestice ... pljusak.

Gotovo sva početna energija čestice se pojavljuje ilikao ionizacija ili kao pobuđenje medija ”kalorimetar”

Nužni su za određivanje energije neutralnih hadrona.Energijska rezolucija ~ dobra na vis. Energ.Kalorimetri daju brzu (100 ns) inf. o ukupnoj energiji

21

−E


ElektromagnetskiElektromagnetski kalorimetarkalorimetar

Gubitak energije elektrona zračenjem:

0XE

dxdE

−=

Radijacijska duljina X0 je debljina medija koja reducirasrednju energiju snopa elektrona za faktor e.

Kritična energija Ec je energija kod koje je gubitak energijena zračenje jednak gubitku energije na ionizaciju.

MeVZ

Ec600

≅



Zakočno zračenje i proizvodnja parovastvaraju u kaskadi elektromagnetskipljusak

Pretpostavimo da :E0 – energija primarnog elektronaX0 - radijacijska dužinaElektron nakon prolaska kroz X0 emitira foton energije

Pri prolasku kroz jos jednu X0 foton se pretvori u e-e+ par (svaki od njih imaene. )

Nakon t radijacijskih duljina imatćemo čestica(fotona,elektrona,pozitrona)

20E

40E

• Energija čestice na dubini t bit će

• Proces se nastavlja dok ne bude

kad ionizacija počinje biti važna a zračenje prestaje.

• Maximum pljuska će se desiti na:

• Broj čestica u maksimumu bit će:

tN 2=

tEtE 2/)( 0=

cEtE =)(

2ln)/ln( 0

maxcEEtt ==

cEEtN 0

maxmax ]2lnexp[ ==

•Suma duljina tragova u cijelom pljusku(u radijacijskim duljinama) je:

cEEL 0≅


ElektromagnetskiElektromagnetski kalorimetarkalorimetarZADATAKEksperiment s protonskim raspadom se može izvesti upotrebom velikog spremnikaza vodu kubičnog oblika kao izvora protona, a mogući mod raspadase treba detektirati Čerenkovljevim svjetlom emitiranim kada elektromagnetskipljuskovi iz produkata raspada prolaze kroz vodu. Kako velik treba biti spremnik za vodu da bi sadržavao takve pljuskove ?Izračunaj sumu svih duljina tragova pljuska u jednom događaju, a od tuda i ukupnibroj fotona emitiranih u vidljivom području (λ=400-700 nm). Svjetlo treba detektirati poljem fotomultiplikatora smještenih na vodenoj površini. Optička transmitivnost vode je 20 %, a efikasnost fotokatode je 15 %. Koji dio površine treba biti pokriven fotokatodama da se dobije energijska rezolucija 10 % ?

0π+>− +ep

MeVEc 92=

X0=36.1 cmOH 2

Uzmite da se Čerenkovljevim zračenjem emitira u vidljivom djelu spektra 200 fotona cm-1

Rezolucija se odredjuje fluktuacijom ( ) broja čestica u maksimumu (N) gdje je N~E

N



Elektroni i pozitroni velikeenergije zakočno zračenje+ produkcija parova pljusak


HadronskiHadronski kalorimetarkalorimetar

Hadronski pljusak : ulazni hadron neelastični sudar proizvodnja sekundarnog hadrona …

Skala longitudinalnog razvoja ovisi o nukl. aps. duljini λ(80 gcm-2 (C) , 130 gcm-2 (Fe), 210 gcm-2 (Pb)λ je velik u odnosu na X0 Hacal su veliki u odnosu na EcalŽeljezo-scintilator longitud.~2m, transverz.~0.5 mU hadronskoj kaskadi 30 % energije se gubi

(razbijanje jezgre,nuklearna pobudjenja, evaporacija neutrona)upotreba 238U za kaskadni medij


MnogoMnogožžiiččane komoreane komore

_Katodna ravnina__________________________MWC anodne žice

_Katodna ravnina___________________________⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗

Ulazna čestica

2mm

Svaka žica djeluje kao nezavisni proporcionalni brojačKatode su na neg. pot. (2kV) dok su anode uzemljeneSignal na žici koja okida je negativan i velikSignal na susjednim žicama je mali i pozitivanProstorna rezolucija ~ 1 mmRazlučivanje više hitaca


Ostale ionizacijske komoreOstale ionizacijske komore

Prostorna informacija iz mjerenja vremena pomaka (drifta) elektrona u ionizacijskom dogadjaju

Driftne (vlačne) komore

+HV2•

Anodnažica

Scintilacijski brojač

-HV1Nabijenačestica

Drift područje


Ostale ionizacijske komoreOstale ionizacijske komore

3D tračni detektorKombinacija vlačne i mnogožičane komore

Komore vremenske projekcije (time projection chamber)

MWC

Mag. poljeEl. polje

elektroni


PoluvodiPoluvodiččkiki detektoridetektori

Analogni plinskim ionizacijskim detektorima:Čestica u prolazu stvara parove elektron-šupljina (elektron-ion)Umjesto plina medij je poluvodički (čvrsti) materijal

Negativan napon na p-stranu,pozitivan napon na n-stranu

Veći napon = više aktivnog medija+ bolje skupljanje naboja

Previsok napon poluvodič postaje vodič


PoluvodiPoluvodiččkiki detektoridetektori ((usporedbausporedba s s ionizacijskimionizacijskim detektorimadetektorima))

E elektron – šupljina<E elektron-ion Bolja energijska rezolucijaBolja moć zaustavljanja od plinskih detektora (veća gustoća) Male dimenzije (<50 μm) dobra poz. RezolucijaVeća osjetljivost na zračenje (kraći vijek trajanja)Detektori male površine (cm2) (svaka traka pojačalo)Više materijala interakcija čestica koje detektiramoDetektori trebaju ponekad hlađenje radi smanjivanja šuma


HHibridniibridni detektoridetektori

Eksperimenti u FEČ Istovremena detekcija više česticaRedoslijed detekcije čestica ilustriran je na slici:


Transverse slice through CMS detectorClick on a particle type to visualise that particle in CMS

Press “escape” to exit


StandardniStandardni modelmodel

Gravitacija

Elektomagnetska

SlabaJaka


ZaZaššto ATLAS i LHC to ATLAS i LHC ??Standardni Model odgovara na mnoga pitanja o strukturi i stabilnosti

materije sa svojih 6 vrsta kvarkova, 6 leptona i 4 sileNo isto tako ostavlja i mnoga otvorena pitanja:

Zašto postoje tri vrste kvarka i leptona za svaki naboj? Da li postoji neka zakonitost u njihovim masama? Da li na višim energijama možemo očekivati još novih čestica i sila? Da li kvarkovi i leptoni imaju podstrukturu? Koje čestice čine tamnu materiju u svemiru? Kako bi se gravitacijske interakcije mogle uključiti u standardni model?


HiggsHiggsovov mehanizammehanizam1

2

Zamislite da je dvorana, puna fizičarakoji časkaju, kao prostor ispunjen Higgsovim poljem...

Jako poznati znanstvenik ulazi iznenada u dvoranu privlačeći skup (cluster) obožavatelja svakim svojim korakom


HiggsHiggs3

4

5

...to povečava njegov otpor prema gibanjutj. dobiva masu kao i čestica koja se giba krozHiggsovo polje...

Ako vijest prijeđe u susjednu dvoranu ...

...stvara opet cluster (skup) znanstvenikaali ovaj puta izmedju njih samih ...U toj analogiji clusteri su Higgsove čestice.


STAR experimentSTAR experiment


Što to radimo ?

21

=J

Tražimo gdje je spin protona ...


AsimetrijeAsimetrijeAsimetrije

Mjerenja asimetrija (A): Osnovni pristup pri proučavanju spinskih efekata

Na RHIC-u su moguće sve kombinacije polarizacije snopa (longitudinalna (+/-) /transferzalna (↑/↓)) , što omogućava pristup raznim dijelovima spinske strukture protona.

Proučavanje strukturnih funkcija ovisnih o helicitetu !Jednostruka longitudinalno-spinska asimetrija:

Proučavanje strukturnih funkcija ovisnih o transferzalnosti!Jednostruka transferzalno-spinska asimetrija:

Dvostruka longitudinalna-spinska asimetrija: Dvostruka transferzalna-spinska asimetrija:

Proučavanje efekata narušenja parnosti ! Proučavanje asimetrije lijevo-desno !

Važnost statistike (FOM=figure-of-merit):

)()()()(

+−−+−−++

+−−+−−++

++++−+

=σσσσσσσσ

LLA)()()()(

↓↑↑↓↓↓↑↑

↓↑↑↓↓↓↑↑

++++−+

=σσσσσσσσ

TTA

−+

−+

+−

=σσσσ

LA↓↑

↓↑

+−

=σσσσ

NA

Jednostruka spinskaasimetrija:

∫⋅ LdtP2

Dvostruka spinskaasimetrija:

∫⋅ LdtP4


Mjerenjem ALL može se izdvojiti ΔG:

RHIC (PHENIX/STAR) će mjeriti ΔG u velikom rasponu gluonskog dijela impulsa (xgluon), s velikim pT (primjenjiva pQCD) i to u raznim nezavisnim procesima (provjera konzistentnosti):

Produkcija fotona velikog pT-aProdukcija JetovaProdukcija teških okusa

ALL za QGC raspršenje interpretirano u LO QCD:

)(ˆ)()(

)()(

1

1 qqgaxFxg

xGxG

Aq

pq

p

g

gLL +→+⋅⋅

Δ= γ

Gluonskapolarizacija

Izmjerene polarizirane/nepolariziranestrukturne funkcije

pQCD rezultat za QGC raspršenje

Kako izmjeriti Kako izmjeriti gluonskigluonski doprinos polarizacijidoprinos polarizaciji ??

Istovremena detekcija γ i jet-a omogućava rekonstrukciju partonskekinematike u početnom stanju (xg i xq)

Documents

Ubrzivači i detektori u fizici elementarnih česticaplaninic/predavanja/fec5.pdf · Da li postoji neka zakonitost u njihovim masama? Da li na višim energijama možemo očekivati