Fizyka wspczesnych detektorw czstek elementarnych Wyklad 1 Jan

Fizyka współczesnych detektorów cząstek elementarnych Wyklad 1 Jan Królikowski Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego krolikow@fuw. edu. pl Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 1

Plan 1. Podstawowe zjawiska fizyczne – – 2. Detektory śladowe – – – 3. Detektory gazowe – wzmocnienie gazowe Detektory półprzewodnikowe: paskowe i pixlowe Identyfikacja w detektorach gazowych poprzez d. E/dx Kalorymetry: – – 4. Straty energii cząstek naładowanych na jonizację ośrodka Kaskady elektromagnetyczne i hadronowe w ośrodku, Promieniowanie Czerenkowa i promieniowanie przejścia Scyntylacja próbkujące i jednorodne, elektromagnetyczne i hadronowe Szybkie detektory układów wyzwalania – – Hodoskopy scyntylacyjne Szybkie detektory gazowe: RPC, TGC, MWPC Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 2

Literatura 1. Wzór_Bethego-Blocha: – http: //pl. wikipedia. org/wiki/Wz%C 3%B 3 r_Bethego-Blocha 2. Witryny o fizyce cząstek po angielsku: – http: //www. przygodazczastkami. org/othersites. html 3. Przeglądy Particle Data Group: – http: //pdg. lbl. gov/index. html Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 3

Układy detekcyjne w fizyce cząstek… mają za zadanie możliwie najbardziej precyzyjny(ą): o Pomiar parametrów kinematycznych cząstek lub ich układów (np. dżetów): kierunku lotu, energii/ pędu o Identyfikację cząstek czyli np. jednoczesny pomiar energii/ pędu i prędkości Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 4

Wybór konkretnych rozwiązań Jest zazwyczaj kompromisem między precyzją i niezawodnością a możliwościami finansowymi. Na etapie projektowania detektora używa się metod symulacyjnych do optymalizacji projektu oraz testuje się czasami kilka generacji prototypów w warunkach zbliżonych do ostatecznych. Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 5

Projektując detektor staramy się osiągnąć jasno postawione cele wynikające z fizyki najprostszymi środkami. Dlatego projektowanie jest ciągle sztuką, a nie tylko nauką. Przykład jasno postawionych celów- detektor CMS: 1. Najlepszy możliwy pomiar mionów p 2 Te. V, 2. Najlepszy możliwy zgodny z 1. pomiar elektronów i fotonów, 3. Hermetyczna kalorymetria (pomiar dżetów i brakującej energii ) zgodna z 1. i 2. Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 6

Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 7

Struktura cebuli Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 8

1. 1 d. E/dx na jonizację Jonizacja to podstawowy mechanizm strat energii cząstek o niezbyt dużych energiach. Jonizacja jest procesem stochastycznym- cząstka przelatując obok atomów ośrodka przekazuje różne porcje energii jonizowanym elektronom. Straty energii fluktuują zgodnie z rozkładem Landau’a. Promieniowanie hamowania (Brehmsstrahlung) to proces emisji fotonu (radiacyjny): e+A+ Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 9

gdzie Średnia strata energii na jonizację Wzór Bethego- Blocha d. E / dx – strata energii cząstki na jednostkę przebytej odległości, NA – liczba Avogadro, Z, A – liczba atomowa i liczba masowa atomów ośrodka, ρ – gęstość ośrodka, me, e – masa i ładunek elektryczny elektronu, z – ładunek cząstki w jednostkach e (ładunek cząstki q = ze), β – prędkość cząski w jednostkach prędkości światła (β = v / c), Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 10

d. E/dx d. E / dx – strata energii cząstki na jednostkę przebytej odległości, NA – liczba Avogadro, Z, A – liczba atomowa i liczba masowa atomów ośrodka, ρ – gęstość ośrodka, me, e – masa i ładunek elektryczny elektronu, z – ładunek cząstki w jednostkach e (ładunek cząstki q = ze), β – prędkość cząski w jednostkach prędkości światła (β = v / c), – przenikalność elektryczna próżni, Tmax – maksymalna energia kinetyczna, jaka może być przekazana elektronowi w pojedynczym zderzeniu (patrz poniżej), I – średnia energia jonizacji, w elektronowoltach, δ / 2 – poprawka na gęstość pola, istotna przy wyższych energiach Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 11

Wzór Bethego- Blocha Relatywistyczny wzrost Możliwy pomiar v Zależność ~1/v 2 Możliwy pomiar v Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych Minimalna jonizacja 12

Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 13

Minimum jonizacji, różne ośrodki Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 14

Pomiar d. E/dx narzędziem identyfikacji Dane z komory projekcji czasowej TPC eksperymentu TPC przy SLC (1990 -1995) Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 15

Zasięg różnych cząstek w ośrodkach Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 16

1. 2 Kaskady elektromagnetyczne i hadronowe Procesy kaskadowe charakteryzują oddziaływania cząstek wysokich energii z ośrodkiem. Są także procesami fluktuującymi statystycznie. Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 17

Kaskady elektromagnetyczne Dla elektronów i fotonów odpowiednio wysokich energii możliwe jest zachodzenie procesów kaskadowych przez oddziaływanie w ośrodku: • promieniowanie hamowania e+A e’+A+ • produkcja par elektronpozyton +A e+e-+A • itd. aż do spadku energii fotonów poniżej ~1 Me. V Pakiet EGS 4 Symulacja procesu kaskady e-m w żelazie w funkcji głębokości mierzonej w drogach radiacyjnych X 0 porównana z danymi Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 18

Droga radiacyjna X 0 Elektrony tracą energię głównie poprzez promieniowanie hamowania. Na drodze X 0 elektron traci (1 -1/e) swojej energii. Fotony powyżej 1 Me. V głównie tracą energię na produkcję par elektronpozyton. X 0=7/9 średniej drogi swobodnej na produkcję przez foton 1 pary e+e-.

Kaskady hadronowe Hadrony wysokich energii oddziałują z ośrodkiem produkując wtórne hadrony, które ponownie oddziałują tracąc energię. Kaskada ustaje gdy energie hadronów spadają poniżej progu na produkcję pionów (najlżejszych hadronów). Pochłanianie kaskad w żelazie w funkcji głębokości warstwy Fe

• • • Różne skale rozmiarów i fluktuacje kaskad E-M: droga radiacyjna X 0, hadronowe: droga na oddziaływanie I Dla większości ośrodków X 0 ~ I/10 Kaskady E-M: bardzo dobrze opisane przez QED Brak takiego doskonałego opisu teoretycznego dla kaskad hadronowych, które ponadto charakteryzują się znacznie większymi fluktuacjami niż kaskady E-M Kaskady hadronowe zawierają składową elektromagnetyczną z rozpadów Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 21

1. 3 Promieniowanie Czerenkowa i promieniowanie przejścia Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 22

Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 23

Zastosowania • Sygnał pr. Czerenkowa pojawia się gdy prędkość cząstki przekracza prędkość progową- identyfikacja cząstek lekkich w progowych licznikach Č. • Pomiar kąta C- pomiar prędkości w detetorach Ring Imaging Cherenkov (RICH) • Elektrony w kaskadach e-m w ciężkich szkłach promieniują Č- kalorymetria Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 24

Promieniowanie przejścia Zjawisko promieniowania przy przejściu przez szybką cząstkę granicy między dwoma ośrodkami o różnych częstościach plazmowych. Promieniują głównie miękkie x-y (2 -20 ke. V). =1/ ze folia Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 25

1. 4 Scyntylacja Mechanizmy wzbudzania i deekscytacji promienistej ośrodka przez przelatującą cząstkę naładowaną. Interesują nas przede wszystkim szybkie deekscytacje. Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 26

Typowa scyntylacja w plastiku + barwnik Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 27

2. DETEKTORY ŚLADOWE: TRACKER, DCH, CSC, TPC Zadaniem tych detektorów jest zarejestrowanie punktów na torach cząstek naładowanych Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 28

2. 1 Gazowe komory drutowe Elektrony i (jony) ze zjonizowanego przejściem cząstki naladowanej gazu poruszają się ku elektrodom (drutom anodowym i katodowym). W silnym polu elektrycznym w pobliżu drutu zachodzi wzmocnienie gazowe. Mechanizm wzmocnienia gazowego: w silnym polu elektrycznym elektrony przyspieszają wybijając następne elektrony z atomów gazu i tworząc lawiny. Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 29

Wielodrutowe komory proporcjonalne (1 -D) Symulacja pola elektrycznego w komorze wielodrutowej Tu pole E jest na tyle silne, żeby przyspieszać elektrony z jonizacji i tworzyć lawiny M=105 -6 Słabe pole- obszar transportu elektronów z jonizacji Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 30

Komory z oddczytem katodowym CSC w CMS Zasada działania Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych Montaż komory CSC w FNAL 31

Komory dryfowe (1 -D) Mniej kanałów odczytu na jednostkę powierzchni. Pomiar czasu = pomiar pozycji. Precyzja 50 -200 m Drift Tube w CMS Jan Królikowski Wspólczesne detektory cząstek elementarnych 32