Úvod do experimentální fyziky vysokých energií · Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Moderní technologie

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Moderní technologie ve studiu aplikované fyzikyreg. č.: CZ.1.07/2.2.00/07.0018.

anebz čeho se skládá hmota, jaké síly ji ovládají a

jak probíhá experimentální výzkum

J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČRkurz na PŘF UP Olomouc

Úvod do experimentální fyziky vysokých energií


Téma 2

Interakce částic s prostředím

1. interakce nabitých částic v látce (ionizace, Čerenkovské záření, ...)

2. průchod fotonů prostředím3. interakce vysokoenergetických částic

• elektromagnetické spršky• hadronové spršky

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.3

Průchod nabitých částic prostředím

o Ionizační ztráty: pro těžší částice popsány Bethe-Blochovou formulí (střední

dE/dx), podobně pro elektrony (rozdíly: nerozlišitelné částice, malá

hmotnost)o Radiační ztráty (hrají roli až při vyšších energiích)

elektrony: vyzáření brzdného fotonu těžší částice: vyzáření páru elektron-pozitron

o Čerenkovské záření: vyzáření fotonů, je-li rychlost částice vyšší než rychlost světla v

daném prostředí (umožňuje měření rychlosti)o Přechodové záření:

vyzáření roentgenovských fotonů ultrarelativistickou částicí (βγ ≥ 500) na hranici dvou různých dielektrik (umožňuje např. identifikaci elektronů)

o Mnohonásobný rozptyl: díky Coulombovskému rozptylu


Průchod nabitých částic prostředím

Radiační ztráty

Produkce párů

N N

e-

e+

µµ


Ionizační ztráty (1)o Střední ionizační ztráty těžších částic popsány tzv. Bethe-

Blochovou formulí


Ionizační ztráty (2)o Při dané energii ale ionizační ztráty navíc

fluktuují – popsáno Landauovým rozdělením


Ionizační ztráty (3)o Průchod elektronů:

ionizační ztráty popsány formulí podobnou Bethe-Blochově brzdné záření převládá už od mnohem nižších energiích


Čerenkovské zářenío Má-li nabitá částice rychlost větší než rychlost světla v

daném prostředí (β > 1/n), dochází k emisi Čerenkovských fotonů

fotony jsou vysílány v kuželi cos(θc) = 1/(β∙n) intenzita: d2N/(dE dx) ≈ 370 z2 sin2(θc) [eV-1 cm-1] ultrafialová oblast

o Obdoba rázové vlny při překročení rychlosti zvukuo Čerenkovské záření se hodí k měření rychlosti částic, známe-

li hybnost či energii, určíme tak hmotnost => identifikace částic

γθ


Průchod fotonů prostředím (1)o Interakce fotonu s hmotným prostředím:

fotoefekt: účinný průřez σp.e. ~ Z5 Eγ–7/2

Comptonův (nekoherentní) rozptyl: σCompton ~ Z/Eγ

produkce párů:o v poli jádra (κN)o v poli elektronů (κe)

Rayleighův (koherentní) rozptyl – atom není excitován ani ionizován

absorpce jádrem: obvykle doprovázena emisí neutronu nebo jiné částice

o Narozdíl od nabitých částic, které při průchodu prostředím ztrácí energii, svazek fotonů ztrácí intenzitu


Průchod fotonů prostředím

Comptonův rozptyl

Produkce párů


Průchod fotonů prostředím (2)


Elektromagnetické spršky (1)

o U elektronů i fotonů při vysokých energiích dominují radiační ztráty. V jejich důsledku dochází k tzv. elmg sprškám (kaskádám) elektron/pozitron vyzáří brzdný foton foton konvertuje na elektron-pozitronový pár

o Energie částic ve spršce postupně klesá, až místo radiačních převládnou jiné ztráty energie. Tak se sprška zastaví.

e–

γ

e– e–

e–

e+

e+e+

e–

γ

γ


Elektromagnetické spršky (2)o Definujeme tzv. radiační délku X0 jako střední

vzdálenost, na které poklesne energie elektronu/pozitronu faktorem 1/e, tj:

E(x) = E(0) exp(–x/X0) radiační délka v některých prostředích:

o X0(Si) = 9.4 cmo X0(Fe) = 1.8 cmo X0(Pb) = 0.5 cmtloušťka materiálu se pak obvykle udává v jednotkách X0

obecně platí: X0 ~ 1/(ρ Z2), ρ=hustota prostředí, Z=protonové číslo


Hadronové spršky (1)o Vysokoenergetické hadrony interagují silně s jádry materiálu

prostředí, dochází tak k mnohonásobné produkci dalších částic => hadronová sprška

o Dvě základní složky: elektromagnetická část: při silných interakcích vznikají

mj. i částice π0, které se prakticky okamžitě rozpadají π0 →γγ. Tato část vytváří elektromagnetickou spršku.

čistě hadronová část: o kaskádní proces: produkce hadronů v silných

interakcích s jádry. Energie hadronů postupně klesá, až se sprška zastaví.

o ionizace pomalých nabitých hadronůo "neviditelná část": část energie se spotřebuje na rozbití

jader, případně je odnesena miony a neutrinyo nízkoenergetické neutrony

Úvod do fyziky vysokých energií 15

Hadronové spršky (2)o K vyjádření tloušťky materiálu z hlediska hadronových

spršek se používá tzv. interakční délka λint, která představuje střední volnou dráhu hadronu (z hlediska silné interakce s jádry) v daném prostředí. interakční délka ve vybraných materiálech:

o λint(Si) = 45.5 cmo λint(Fe) = 16.8 cmo λint(Pb) = 17.1 cm

interakční délka souvisí s účinným průřezem: λint = 1/(n σ)

λint >> X0, hadronové spršky jsou mnohem delší než elektromagnetické


Téma 3

Detektory

o Stručně o vybraných detektorech:• trocha historie• scintilátory• Čerenkovské detektory• dráhové detektory

– plynové– polovodičové

• kalorimetry

16


Historické detektoryo Jaderné emulze

nabité částice zanechávaly ionizační stopu, velmi dobré prostorové rozlišení (řádu μm)

prohlížení pod mikroskopemo Bublinové komory

přehřátá kapalina, nabitá částice při průchodu vytvářela bublinky dobré prostorové rozlišení fotografování případů

o Mlžné komory naplněné plynem s příměsí nasycených par při průchodu nabité částice se vytvářejí nabité ionty podél dráhy,

na kterých kondenzují kapičky fotografování případů

o Jiskrové komory soustava paralelních kovových desek, mezi nimi plyn (He, Ne) každá druhá deska připojena k pulznímu zdroji VN při průchodu částice aplikujeme puls => vznikne jiskra =>

fotografuje se


Scintilační detektory (1)o Nabitá částice excituje molekuly, část energie (cca 3%)

se vyzáří ve formě optických fotonůo Dva základní druhy:

organické: o proces na úrovni molekulo menší světelný výtěžek, horší rozlišenío velmi rychlá odezva (~ 3 ns)

anorganické: o krystaly, scintiluje celá mřížkao vysoký světelný výtěžek, dobré rozlišenío relativně pomalé


Scintilační detektory (2)

Organické scintilátory: obsahují aromatický uhlovodík (polystyren, toluen) přidávají se dopanty (fluor) kvůli posunu vlnové délky

příklad: polystyren+PTP+POPOP (Tilecal) použití: trigger, měření doby letu, dráhové detektory

(optická vlákna), sendvičový kalorimetr


Scintilační detektory (3)

Anorganické scintilátory vyšší hustota, vyšší Z => hodí se nejen pro detekci

nabitých částic, ale i γ citlivé na teplotu, magnetické pole příklady: NaI(Tl), CsI(Tl), BGO, PbWO4

použití: detekce γ, homogenní elmg. kalorimetry

Čtení signálu ze scintilátoru světelný signál odveden světlovodem, případně optickým

vláknem konverze na elektrický signál: nejčastěji fotonásobič


Čerenkovské detektory (1)o Měření rychlosti částic na základě Čerenkovského zářenío Obvykle mají plynovou náplň (nastavení indexu lomu n pomocí změny

tlaku), případně kapalinyo Druhy:

prahové: o ano-ne zařízenío potřebujeme-li oddělit více druhů částic, musíme mít více

detektorů

diferenciální:o identifikují záření v daném rozsahu rychlostí βmin < β < βmax

o složitější optika

Úvod do fyziky vysokých energií

J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR22

RICH (Ring Imaging Cherenkov)o dva radiátory s různým

indexem lomuo detekce fotonů pomocí

TPCo výborná separace π/K/p

Čerenkovské detektory (2)

LHCb RICH 1,2


Čerenkovské detektory (3)

Použití: identifikace částic ve svazcích (prahové, diferenciální) identifikace částic ve velkých detektorech (RICH v Delphi, Babar,

...) na vstřícných svazcích detekce neutrin (nepřímo přes pružný rozptyl): experimenty

Kamiokande, Amanda, ...

RICH: Dva radiátory velký rozsah energií


Dráhové detektoryo K čemu se používají ?

určení dráhy částice ve svazku z rekonstrukce dráhy nabité částice v magnetickém poli určíme její

hybnost: p = 0.3 z B R / sinθ [GeV]o B je velikost magnetické indukce [T], R poloměr kružnice [m]o z = náboj částice (v jednotkách e), θ je úhel mezi vektory p a Bo rozlišení: Δp/p ~ p

o Druhy: plynem plněné (seznam není úplný):

o proporcionální počítače (mnoho trubek může tvořit dráhový detektor)

o mnohodrátové komory (MWPC)o časově projekční komory (TPC)

polovodičovéo křemíkový stripový detektor


Plynem plněné detektoryo Vlastnosti závisí na plynu a napětí:

rekombinace: není žádný signál ionizace: úplný sběr náboje, ale

žádné zesílení proporcionalita: v plynu dochází k

zesílení, ale výsledný signál je úměrný ztracené energii primární částice

omezená proporcionalita: dochází k silné fotoemisi a k sekundárním lavinám, vyžaduje pulsní HV nebo zhášení

Geiger-Mueller: masívní fotoemise, dochází k výboji.


Proporcionální počítačeo Vznik signálu:

nabitá částice při průchodu plynem ionizuje elektrony driftují k anodě, díky urychlení v elektrickém poli dále

vytvářejí páry iont-elektron na anodě (drát) detekujeme zesílený elektronový signál, který je

úměrný ztracené energii původní částice

lze detekovat i signál na katodě (způsobený kladnými ionty), ale anodový signál je výrazně rychlejší


Mnohodrátová proporcionální komora –MWPC (1)

o MWPC (MultiWire Proportional Chamber) = mnoho proporcionálních počítačů v jednom plynovém objemu (Charpak et al. 1968, Nobelova cena 1992)

o Anodové dráty fungují jako nezávislé detektoryo Typické rozměry:

vzdálenost katoda – anoda: 1 cm rozteč drátů: d = 1–2 mm tloušťka drátů: 20–50 μm

katody

anodové dráty


MWPC (2)o Umožňuje určení jedné souřadnice:

prostorové rozlišení: σx ≈ d/√12 k určení druhé souřadnice se často používá druhá komora

otočená o 90˚o Nutný pečlivý výběr směsi plynů (často magie):

co nejmenší mnohonásobný rozptyl příměsy CO2, CH4, C2H6

ionizace primární částice


Časově projekční komora – TPC (1)

o Jedná se o 3D detektor, jakási elektronická bublinová komorao Kombinace MWPC a driftové komory

podél dráhy nabité částice vznikají páry iont-elektron elektrony driftují (díky vnějšímu konst. elektrickému poli) k boční

stěně komory detekce elektronů pomocí drátové komory (2D), třetí souřadnice

(z) se určuje z doby driftu

y

z

x

E

B drift

dráha nabitéčástice


TPC (2)o Detekce elektronů – využití katodového čtení:

kladné ionty produkované v blízkosti anodového drátu můžeme detekovat díky kapacitní vazbě také na katodě

katoda: lze segmentovat na stripy (jednorozměrné čtení) či na pady (2D)

o Parametry TPC: doba driftu řádově 100 μs prostorové rozlišení závisí na mnoha parametrech (délka driftu,

difuzní konstanta, primární ionizace), typicky ~ 500 μm

anodové dráty

Měříme souřadnici elektronové laviny podél směru anodového drátu


TPC (3)o U všech zmíněných plynových detektorů lze měřit i velikost

ionizace dE/dx => identifikace některých částic příklad: TPC@ALEPH


Polovodičové detektoryo Používané materiály: Si, Ge, GaAr, diamantyo Jde vlastně o MWPC v pevných látkách, výhody:

na vytvoření páru elektron-díra potřebuji 3.6 eV (Si), v plynech 30 eV

vyšší hustota

vysoká mobilita elektronů malé rozměry, rychlý sběr signálu

Pro srovnání – MIP částice vyprodukuje: • 100 párů elektron-díra na 1 μm Si• stejný náboj v plynu na vzdálenosti cca 1 cm


Křemíkový stripový detektor (1)o Princip detekce:

vytvoření přechodu p-n, zapojení v závěrném směru => oblasti bez volných nábojů

čtení signálu z kladných iontů na stripech (p-stripy implantované do křemíkové destičky n-typu, používá ATLAS SCT)


Křemíkový stripový či pixelový detektor (2)

lze i obráceně: implantované n-stripy do křemíku typu p => čtení signálu od elektronů

na stripech jsou napařené kovové elektrody

o Výborné rozlišení, řádově desítky μmo Problémy:

radiační odolnost cenaPIXEL detector for ATLAS, FZÚ a Tesla Sezam Rožnov p. R.


Kalorimetry (1)o Měří energii a směr letu nabitých i neutrálních částic destruktivní

metodou – primární částice je zcela pohlcena v detektoruo Částice vytvářejí elmg a/nebo hadronové spršky, nakonec je energie

spotřebována na ionizaci nebo excitaci materiálu detektoruo Typy kalorimetrů:

homogenní (pouze elmg): detekuje se celá sprška, tvořený krystaly

sendvičový (sampling):

tvořený střídajícími se vrstvami absorbátoru a aktivního média (sběr signálu), detekujeme tedy jen část spršky => dodatečné fluktuace při sběru signálu


Kalorimetry (2)o Celkový signál je přímo úměrný energii původní částiceo Energetické rozlišení:

o Prostorové rozlišení je dáno členěním (segmentací) kalorimetru

o Dělení kalorimetrů: elektromagnetický (umístěn před hadronovým

kalorimetrem) hadronový


Elektromagnetické kalorimetry (1)

o Homogenní: absorbátor je zároveň aktivním médiem, ze kterého je čten signál.

Detekujeme tedy celou spršku výborné energetické rozlišení (sampling člen a ≈ 1%) horší prostorové rozlišení (horší členění) příklady kalorimetrů:

o BGO (scintilující krystal) – L3 experiment (CERN)o CsI(Tl) (scint. krystal) – BaBar experiment (SLAC)o PbWO4 (scint. krystal) – CMS experiment (CERN)

velmi drahéo Sendvičové (sampling) kalorimetry:

absorbátor je obvykle olovo (Pb), neboť má vysoké Z a malou X0 aktivní médium může být scintilátor, proporcioální komory,

ionizační komory, ... trochu horší energetické rozlišení (sampling člen a ≈ 5 – 10%) lepší prostorové rozlišení (jemnější členění buněk)


Elektromagnetické kalorimetry (2)

příklady sampling kalorimetrů:o olovo – proporcionální komory: HPC, Delphi experiment

(CERN)o olovo – liquid argon (LAr): experimenty H1 (DESY), ATLAS

(CERN)

o Velikost (hloubka) elmg kalorimetru se udává v X0, typické hodnoty na velkých experimentech: 20 – 30 X0 (záleží na energii svazků)

ATLAS elmg. LAr kalorimetr:

• geometrie harmoniky (minimální mrtvé zóny)

• aktivní médium: tekutý Ar (90 K), funguje jako ionizační komora


Hadronové kalorimetry (1)o Stavějí se pouze jako sendvičové

absorbátor (Fe, Cu, U) aktivní médium (ionizační či proporcionální komory, scintilátory, ...)

o Hadronové spršky jsou složitější (viz. melmg vs. čistě hadronová komponenta) poměr závisí na energii:

navíc velké fluktuace (ne-gaussovské !!) popis: faktor e/h (obecně e/h > 1), měříme

])GeV[ln(11.0 Efem ×≅

ememem fhehe

hfefee

)1/(1/

)1( −+=

−+=

π

=1-(E[GeV])-k k = 0.15 - 0.20


Hadronové kalorimetry (2)o Jak tedy správně měřit energii hadronů?

postavit kompenzovaný (e/h = 1) kalorimetr softwarové korekce:

o důležité členění kalorimetruo využití rozdílné velikosti elmg a hadronové spršky,

signál z jednotlivých buněk se váží různými faktory

o Energetické rozlišení: kvůli fluktuacím zastoupení elmg. komponenty a složení

hadronové komponenty je výrazně horší než u elmg. kalorimetrů

typická hodnota sampling členu: a ≈ 50% (může být trochu lepší u kompenzovaných kalorimetrů)


Hadronové kalorimetry (3)o Velikost (hloubka) kalorimetrů:

obvykle se udává v interakčních délkách λint

hadronová sprška se vyvíjí už i v elmg. kalorimetru, proto nás zajímá celková hloubka elmg+hadronového kalorimetru. Typická velikost 10 λint

o Příklady hadronových kalorimetrů: Fe+proporcionální komory: experiment DELPHI (CERN) U+scintilátor experiment ZEUS (DESY) U+LAr: experiment D0 (Fermilab) Fe+scintilátor: experiment ATLAS (CERN) Cu+LAr: experiment ATLAS (CERN)

Umístění v experimentu: hadronový kalorimetr za elmg kalorimetrem


Hadronové kalorimetry (4)o Kalorimetr Tilecal (experiment

ATLAS, CERN) střídající se vrstvy železa a

scintilátoru, šachovnicová struktura

signál ze scintilačních destiček veden optickými vlákny (WLS, tj. s vlnovým posunovačem) do fotonásobičů → konverze na elektrický signál → další zpracování

rozdělení buněk: o 3 vrstvy v Ro Δη × Δφ = 0.1 × 0.1je dáno seskupením optických vláken na příslušný fotonásobič

každá buňka čtena dvěma fotonásobiči


TILECAL


Nadpis snímku

Text snímku.

Documents

Úvod do experimentální fyziky vysokých energií · Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Moderní technologie