Detektori u fizici elementarnih estica Mirko Planini PMF

Detektori u fizici elementarnih čestica Mirko Planinić PMF Croatian Teachers Programme 2017 Mirko Planinić

Sad kad smo apsolvirali ubrzivače. . .

Ajmo nešto reći o detektorima. . . Mnogožičane komore n Poluvodički detektori n Hadronski n Elektromagnetski kalorimetar n n n Čerenkovljevi detektori Interakcija čestica s materijom n Hibridni detektori (ALICE, CMS) n Spin-off n Kvarkovsko – Gluonska Plazma n Sažetak Mirko Planinić

S’Cool TOM Idemo na posao …

Što je cilj detekcije čestica? n Detekcija čestica Cilj detekcije je izmjeriti čestica u konačnom stanju u sudarima visokih energija. Manji impuls Veći impuls Mirko Planinić

Uvod u detekciju čestica n Mjerenja čestica u konačnom stanju – Stabilne čestice: n Fotoni: n Leptoni: n Hadroni: – Nestabilne čestice : n Direktna rekonstrukcija: Primjer: n Identifikacija i djelomična rekonstrucija: Primjer: Mirko Planinić

Najvažniji zadaci detektora n Najvažniji zadaci detektora – Mjerenje položaja: Odrediti točke prolaza nabijenih čestica (“hits”) – Tragovi: rekonstrukcija putanje čestica uz upotrebu nekoliko mjerenih položaja točaka uzduž putanje – Mjerenje impulsa: Mjerenje impulsa nabijenih čestica unutar magnetskog polja iz rekonstrukcije zakrivljenosti putanje – Mjerenje energije: Deponiranje energije čestice u dijelu detektora – Identifikacija čestica: Masa i vrijeme proleta – Određivanje naboja čestice: Zakrivljenost nabijenih čestica u magnetskom polju – Okidanje (trigger): Okidanje detektora na “zanimljivim” događajima – Data acquisition: Isčitavanje “događaja” i spremanje nakon okidanja Mirko Planinić

Konceptualno pitanje Koji od sljedećih procesa ne uzrokuju nabijene čestice: a) Ionizacija b) Zakočno zračenje c) Čerenkovljevo zračenje d) Comptonovo raspršenje Mirko Planinić

Interakcija čestica pri prolasku kroz materiju n q q Pregled interakcija Čestice stvorene u visokoenergijskim sudarima međudjeluju elektromagnetski i /ili nuklearno pri prolasku kroz materijal detektora Glavni procesi za nabijene čestice su: l Ionizacija Čerenkovljevo zračenje l Zakočno zračenje l C. Fabjan, 1987 Mirko Planinić

Interakcija čestica pri prolasku kroz materiju q Glavni procesi za fotone: γ Lead (Z=82) l Fotoelektrični efekt Comptonovo raspršenje l Produkcija parova l C. Fabjan, 1987 Mirko Planinić

Konceptualno pitanje Dublje u materiju prodiru: a) fotoni b) nabijene čestice c) ovisi o vrsti nabijenih čestica Mirko Planinić

Zakočno zračenje Gubitak energije elektrona zračenjem: Radijacijska duljina X 0 je debljina medija koja reducira srednju energiju snopa elektrona za faktor e. Kritična energija Ec je energija kod koje je gubitak energije na zračenje jednak gubitku energije na ionizaciju. Mirko Planinić

Interakcija s materijom Usporedba nuklearne interakcijske duljine (u cm) s radijacijskom duljinom (u cm) Materijal Z A Z/A X 0 (cm) I (cm) Gustoća (g/cm 3) H 2 (tek. ) 1 1. 00 8 0. 99 2 866 718 0. 0708 He 2 4. 00 2 0. 50 0 756 520 0. 125 C 6 12. 0 1 0. 50 0 18. 8 38. 1 2. 27 Al 13 26. 9 8 0. 48 2 8. 9 39. 4 2. 70 Cu 2 9 63. 5 5 0. 45 6 1. 43 15. 1 8. 96 Pb 8 2 207. 2 0. 39 6 0. 56 17. 1 11. 4 W 7 4 183. 8 0. 40 3 0. 35 9. 58 19. 3 U 9 2 238. 0 0. 38 7 0. 32 10. 5 19. 0 Scint. 0. 53 8 42. 4 81. 5 1. 03 BGO 0. 42 1 1. 12 22. 1 7. 10 Cs. I 0. 41 6 1. 85 36. 9 4. 53 Na. I 0. 42 7 2. 59 41. 1 3. 67 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 I X 0, 0 [cm] n X 0 Z Mirko Planinić

Čerenkovljevo zračenje Čerenkovljev efekt nastaje kad se nabijena čestica kreće brzinom većom od c/n (brzinom svjetlosti u tom mediju) gdje je l c brzina svjetlosti u vakuumu l n index loma u tom sredstvu Emitira se “udarni val” fotona Simul. Mirko Planinić

Čerenkovljevi detektori Svojstva čerenkovljevih detektora l Mjerenjem kuta mjerimo brzinu l Dominira plava svjetlost Broj fotona ~ λ-valna duljina Primjena čerenkovljevih detektora l Detektori praga (razdvajanje čestica istog impulsa a različitih masa) l Identifikacija čestica (RICH STAR) Mirko Planinić

Uvod u detekciju čestica n Detekcija čestica Scintilatorima Mirko Planinić

Kalorimetri Energija i pozicija čestica se može mjeriti metodama totalne apsorpcije : ØUlazna čestica interagira u detektoru velike mase, stvarajući sekundarne čestice. . . pljusak. ØGotovo sva početna energija čestice se pojavljuje ili kao ionizacija ili kao pobuđenje medija ”kalorimetar” ØNužni su za određivanje energije neutralnih hadrona. ØEnergijska rezolucija ~ dobra na vis. Energ. ØKalorimetri daju brzu (100 ns) inf. o ukupnoj energiji Mirko Planinić

Elektromagnestki pljusak

Elektromagnetski pljusak e HST 2000

Elektromagnetski pljusak e+ ee e+ HST 2000

Elektromagnetski pljusak e+ e+ +ee e+ e- e e- e+ ee e- e+ e+ e- e- e- e+ e e- e+ e+ e- e+ e+ ee+ HST 2000 • this process repeats itself in a “cascading” fashion until there is not enough energy in the particles to continue

Elektromagnetski pljusak e+ e+ +ee e- e e- e+ e- e+ ee- e+ e- ee+ e e- *Uočite: e- e+ e+ ee+ Stvaraju se samo fotoni, elektroni i pozitroni

Hadronski kalorimetar Hadronski pljusak : ulazni hadron neelastični sudar proizvodnja sekundarnog hadrona … Øλ je velik u odnosu na X 0 Hacal su veliki u odnosu na Ecal ØU hadronskoj kaskadi 30 % energije se gubi (razbijanje jezgre, nuklearna pobudjenja, evaporacija neutrona) Mirko Planinić

Hadronska kaskada e + e - - K+ e + K+ - p n K- + - - e e e + - e - *Uočite: proizvode se različite čestice p, n, , , HST 2000

Mnogožičane komore Ulazna čestica _Katodna ravnina_____________ MWC anodne žice 2 mm _Katodna ravnina______________ ØSvaka žica djeluje kao nezavisni proporcionalni brojač ØKatode su na neg. pot. (2 k. V) dok su anode uzemljene ØSignal na žici koja okida je negativan i velik ØSignal na susjednim žicama je mali i pozitivan ØProstorna rezolucija ~ 1 mm ØRazlučivanje više hitaca Mirko Planinić

Ostale ionizacijske komore Driftne (vlačne) komore ØProstorna informacija iz mjerenja vremena pomaka (drifta) elektrona u ionizacijskom dogadjaju +HV 2 Drift područje Nabijena čestica -HV 1 Anodna žica Scintilacijski brojač Mirko Planinić

Ostale ionizacijske komore Komore vremenske projekcije (time projection chamber) Ø 3 D tračni detektor ØKombinacija vlačne i mnogožičane komore Mag. polje El. polje elektroni MWC Mirko Planinić

Poluvodički detektori Analogni plinskim ionizacijskim detektorima: ØČestica u prolazu stvara parove elektron-šupljina (elektron-ion) ØUmjesto plina medij je poluvodički (čvrsti) materijal ØNegativan napon na p-stranu, pozitivan napon na n-stranu ØVeći napon = više aktivnog medija + bolje skupljanje naboja ØPrevisok napon poluvodič postaje vodič Mirko Planinić

Poluvodički detektori (usporedba s ionizacijskim detektorima) Ø E elektron – šupljina<E elektron-ion Bolja energijska rezolucija ØBolja moć zaustavljanja od plinskih detektora (veća gustoća) ØMale dimenzije (<50 μm) dobra poz. Rezolucija ØVeća osjetljivost na zračenje (kraći vijek trajanja) ØDetektori male površine (cm 2) (svaka traka pojačalo) ØViše materijala interakcija čestica koje detektiramo ØDetektori trebaju ponekad hlađenje radi smanjivanja šuma Mirko Planinić

Kako još identificirati čestice. . . Preliminary d. E/dx vs Rigidity 31 Mirko Planinić

Kombinirano prepoznavanje čestica (TPC+TOF) Preliminary 32

Hibridni detektori Eksperimenti u FEČ Istovremena detekcija više čestica Redoslijed detekcije čestica ilustriran je na slici: Mirko Planinić

Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit Mirko Planinić

CMS detektor

ALICE eksperiment

IZAZOV UČESTALOSTI SUDARA FILM ATLAS EVENT FREQ

Izazov podataka n Oko 10 Petabyte podataka svake godine – Što je ekvivalentno 20 km visokom tornju naslaganih CDova n n Za analizu podataka: više od 100 000 danas najboljih PCova Ovi zahtjevi su veći od mogućnosti bilo kojeg pojedinačnog računalnog centra na svijetu

IZAZOV PODATAKA FILM ATLAS EVENT FREQ

GEM (Gas Electron Multiplier) detektori Hardverski doprinos – GEM detektori za TPC upgrade

Spin off company - Pico. Logic www. picologic. hr Izvoz u: Njemačku, SAD, Finsku, Indiju, Mađarsku, Rumunjsku, Izrael, Španjolsku, CERN

Hvala na pažnji!