Instrumentao para a Fsica de Partculas e Altas

“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias” (Aula 02) Jun Takahashi IFGW-UNICAMP

Índice Geral: Aula 01: Revisão sobre a Física de Partículas e noções básicas sobre aceleradores. Aula 02: Radiações e interação da radiação com a matéria. Princípios gerais de detecção e um resumo sobre os principais tipos de detectores. Aula 03: Detectores a gás, detectores semicondutores, e cintiladores. Aula 04: Métodos de análise de dados, estatística, tracking, Vértices Secundários, PID e trigger. Aula 05: Os experimentos do RHIC e do LHC. Experimentos de neutrinos e o observatório Auger. Aplicações de detectores em outras áreas. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 2

Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação. Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 3

Radiação Fontes Naturais de Radiação: n n Radioisótopos Raios Cósmicos – baixa energia (Me. V) - Alta energia (Ge. V) Tipos de Radiação: n n Neutra Carregada nêutrons, neutrino, gama Léptons, hádrons, prótons, núcleos Tipos de Interação: n n Eletromagnética Forte Fraca gravitacional partículas carregadas, gamas nêutrons neutrinos grávitons Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 4

Principais processos radioativos: Utilizando fontes radioativas, é possível testar e calibrar os diferentes tipos de detectores, e portanto, são ferramentas fundamentais em um laboratório de física nuclear, ou de instrumentação para física de partículas. Decaimento Alfa (α) Decaimento Beta (β) Emissão Gama (γ) Emissão de raio-X Captura de elétrons (EC) Aniquilação de pósitrons Conversão interna Elétrons de Auger Fissão Nuclear Espectro discreto (Me. V) Espectro contínuo (ke. V-Me. V) Espectro discreto (e. V-ke. V) Emissão de neutrinos + raio X Emissão discreta (511 ke. V) Espectro discreto de elétrons (ke. V) Espectro discreto (e. V-ke. V) Espectro contínuo (ke. V-Me. V) Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 5

Decaimento Alfa (a): § Decaimento a: Processo onde o núcleo emite espontaneamente um núcleo de 4 He. 5, 48 Me. V 433 anos 5, 30 Me. V 138 dias Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 6

Decaimento Beta: § Decaimento b: Processo onde o núcleo emite espontaneamente um elétron (e-) ou um pósitron (e+). Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 7

Decaimento Gama § Decaimento g: Processo onde o núcleo em um estado excitado emite um fóton. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 8

Aniquilação de pósitrons

Regra do decaimento: Se considerarmos que a probabilidade de que ocorra um decaimento seja dado por w, o número de decaimentos d. N, em um intervalo de tempo dt será dado por: Resolvendo esta equação teremos: Meia vida Vida média Onde a vida média é definida como: Definimos a meia vida(t 1/2) como sendo o tempo que leva para metade da amostra decair, ou seja, N=(1/2)N 0, então teremos Regras probabilísticas, sujeito a flutuações estatísticas. 10

Datação através da medida de radioisótopos. Enquanto a planta está viva, a taxa de absorção e a taxa de decaimento se mantêm constante, resultando em ~15 desintegrações por minuto por grama de carbono. meia vida de 5730 anos. 11

Exemplo de datação via Carbono: A taxa de decaimento beta de um osso contendo 200 g de carbono é de 400 decaimentos por minuto. Qual a idade do osso? Qual a razão entre os isótopos 14 C e 12 C ? Meia vida do 14 C é de 5730 anos, e 1 g de carbono de um organismo vivo emite aproximadamente 15 decaimentos /minuto. § Se o osso fosse extraído de um ser vivo, teria: § Pela regra de decaimentos temos: 12

Decaimento b, mais de perto: É o processo preferencial em que um núcleo complexo retorna à linha de estabilidade. Envolve a interação fraca de curto alcance, e os bósons de gauge W± e Z 0. Envolve o aparecimento de uma nova partícula, o neutrino, proposto por Pauli (1934) para explicar o espectro contínuo do decaimento beta. Envolve a mudança de sabor de quarks, para transformar um nêutron em um próton. Decaimento de 1 nêutron livre para um próton tem Q≈0, 78 Me. V, como Q>0, é um decaimento espontâneo, com vida média de aproximadamente t≈898 s. 13

Reação inversa de p→n? O decaimento espontâneo de um próton para um nêutron, em princípio não deve ocorrer pois a massa do nêutron é maior que a massa do próton, portanto o Q do decaimento seria negativo. No entanto, o princípio de incerteza nos diz que: portanto, para um tempo suficientemente grande, talvez seja possível que DE seja pequeno a ponto de permitir um decaimento espontâneo de um próton para um nêutron. Medir o tempo de decaimento espontâneo do próton em um nêutron era o objetivo inicial do experimento Kamiokande no Japão. 14

Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação. Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 15

O caso de partículas carregadas Em geral, na passagem de uma partícula carregada por um meio ocorrem duas coisas: m, v’, E’z • perda de energia da partícula m, v, Ez • deflexão na trajetória da partícula z g Ee=hv Estes efeitos se devem primordialmente aos processos: Espalhamento inelástico com o campo Coulombiano atômico § Excitação § Ionização Interação com o núcleo, espalhamento e reação. Emissão de radiação Cherenkov Bremsstrahlung Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 16

Stopping Power A interação da partícula com o meio é um processo probabilístico, no entanto, como o número de interações em geral é grande em um comprimento macroscópico, as flutuações de energia são pequenas e se pode obter um valor médio da perda de energia. Esta grandeza é chamada de “stopping power” ou simplesmente d. E/dx. S = “stopping power” = valor médio da perda de energia por unidade de comprimento Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 17

Fórmula de Bethe-Bloch A fórmula de Bethe-Bloch é deduzida considerando a transferência de energia da partícula incidente para o meio parametrizado pela transferência quantizada de momento. 1 2 3 4 5 1. Característica da partícula incidente 2. Característica do meio, densidade de elétrons 3. I: Potencial médio de excitação. 4. Tmax: é a energia máxima que pode ser transferida em uma colisão. 5. Correção devido a efeitos de densidade e polarização do meio. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 18

d. E/dx K p d Em geral, para alvos finos, a distribuição da perda de energia varia com a distribuição de probabilidade de Landau, e a fórmula de Bethe-Bloch fornece o valor médio da distribuição. No limite de alvos de grande espessura, a distribuição passa a ser Gaussiana. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 Probability (DE) e DEmp <DE> 19

d. E/dx No caso de partículas leves como os elétrons e múons, a perda de energia por radiação Bremsstrahlung passa a ser dominante na região de altas energias. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 20

Interação de fótons com a matéria A interação de fótons com a matéria é dramaticamente diferente do caso de partículas carregadas. cm 2/g sodium iodide As principais interações de raio-X e raio Gama coma matéria são: Efeito fotoelétrico Espalhamento Compton Produção de Pares photoelectric compton pair prod. amedeo. staiano@to. infn. it Me. V Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 21

Interação da radiação EM em faixas de energias mais baixas Interação com microondas: A energia do fóton é muito pequena 0, 0001 e. V, portanto existe um número reduzido de estados de energia. Interação na faixa do infra-vermelho: Densidade de estados finais maior. E max ~0, 5 e. V. Interação na faixa do visível: Forte absorção devido aos estados de excitação atômica, 2 e. V. Interação na faixa do ultra-violeta: Energia suficiente para causar ionização, 50 e. V. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 22

Interação de fótons com a matéria Um feixe de raio-X ou Gama não perde energia em um alvo, como é o caso de um feixe de partículas carregadas. A interação de um fóton com a matéria é um evento singular, diferente do caso de partículas carregadas que sofrem interações múltiplas. No caso de fótons, o número total de fótons é reduzido, portanto parte dos fótons é absorvido pelo meio, ou melhor dizendo, o feixe é atenuado. A atenuação de um feixe de fótons é uma função exponencial da largura do absorvedor (x). µ : é o coeficiente de atenuação de massa [cm 2/g] x : é a espessura do absorvedor λ : é o livre caminho médio (µρ)-1 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 23

Interação de nêutrons com a matéria Os nêutrons, assim como os fótons, não possuem carga e portanto, não estão sujeitos ao campo Coulombiano e não interagem com os elétrons dos núcleos. O nêutrons interagem via força forte, diretamente com os núcleos dos átomos. Assim sendo, só podem interagir se chegarem bem próximos do núcleo (d<10 -13 cm) e portanto a seção de choque de interação de nêutrons é bem menor que a de partículas carregadas. A interação de nêutrons ocorre principalmente por: • Espalhamento elástico no núcleo dos átomos: A(n, n)A • Espalhamento inelástico : A(n, n)A* • Captura de nêutrons: n+(Z, A)-> (Z, A+1)* • Reação nuclear (fissão, produção de chuveiro hadrônico. . . ) Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 24

Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 25

Princípio Geral de um detector Meio que interage com a partícula ou radiação a ser medida. • Sólido (semicondutores, cristais, chumbo, gelo, filme) • Líquido (cintilador, água) • Gás (Ar, P 10, argônio) Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 26

Princípio Geral de um detector e+ e+ eee+ e- A interação gera partículas (radiação) secundária: • elétrons (semicondutores) • Luz (cintiladores) Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 27

Princípio Geral de um detector e+ e+ eee+ e- No caso da radiação secundária ser fótons (Luz) é necessário um conversor de luz para elétrons (Fotocatodo) Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 28

Princípio Geral de um detector e+ e+ eee+ e- e+ ee- e- eee- Uma vez coletado os elétrons, é necessário amplificar o pulso de corrente para que possamos extrair um sinal acima do ruído eletrônico. Muitas vezes (detectores a gás), a amplificação do sinal é efetuado no próprio meio interagente. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 29

Princípio Geral de um detector e+ e+ eee+ e- e+ ee- e- eee- ADC O sinal analógico é coletado pela eletrônica de “frente”, amplificado (pré-amplificação), formatado (shapping), digitalizado (ADC). Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 30

Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 31

O que sai de uma Reação Nuclear ? Baixas Energias: Fótons-Radiação Gamma. Isótopos excitados. Núcleos Novos, mais pesados. Núcleos Exóticos, fora da linha de estabilidade. Núcleos Residuais.

O que sai de uma Reação Nuclear ? Altas Energias: Fótons de alta energia (Gama) Partículas Novas: § mésons ( ) e bárions (p) § partículas estranhas (K, L) § partículas charmosas (J/Y) Novos estados da matéria: QGP.

quero medir? O O queque posso medir? Das Partículas: Z – Número atômico. A – Massa Atômica. C – Carga. E – Energia. P – Momento (direção). Energia de ionização das partículas. Total (E) Parcial (DE) Velocidade da partícula (V) Trajetória da Partícula Das reações: Novas partículas. Seção de choque dos diversos processos e partículas. Seções de choque diferencial: • Distribuição espacial: angular, pseudo-rapidez. • Espectro de energia, • Distribuição de momento. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 34

Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 35

Tipos de detectores: No dia a dia: O Olho Humano fótons Tela de TV elétrons Filme fotográfico fótons Sensor de Infravermelho fótons Detector de fumaça alfas Câmeras Digitais fótons Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 36

Tipos de detectores: Em experimentos de Física Nuclear e de Altas Energias: Detectores de Emulsão: Filmes. Part. Carregadas Detectores Cintiladores: Cristais / plásticos / água. Partículas/fótons/ Nêutrons Partículas/fótons Detectores Semicondutores: Silício, Germânio Câmaras de Ionização: Cloud/Bubble Chambers Part. Carregadas Contadores Proporcionais Wire Chambers Det. De Radiação Cherenkov Time Projection Chambers Meio dielétrico Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 Partículas Carregadas 37

Principais características de Detectores Sensibilidade do detector para as diferentes partículas Ruído e Sinal Resolução em energia Resolução em posição Resolução em tempo Capacidade de Identificação Tempo morto Eficiência ngulo sólido / áreas mortas / cobertura Resistência a danos de radiação Custo Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 38

Obrigado. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 39