Lezione 18 Identificazione di particelle Lidentificazione di particelle

Lezione 18 Identificazione di particelle L’identificazione di particelle è un aspetto importante negli esperimenti di fisica delle alte energie. Alcune importanti quantità fisiche sono accessibili soltanto con una sofisticata identificazione del tipo di particella: fisica del B, violazione di CP, decadimenti esclusivi e rari. Generalmente si vuole discriminare: p/K, K/p, e/p, g/p 0 …. . Il metodo di identificazione usato dipende fortemente dalle energie implicate. A seconda del particolare processo di fisica sotto studio bisogna ottimizzare o l’efficienza o la mis-identificazione: 1

Lezione 18 Identificazione di particelle Why particle ID ? DELPHI Un decadimento del B 1 K+2 p in final state 2

Lezione 18 Identificazione di particelle Who is who ? d. E/dx : misura di g RICH: contatori Cerenkov (misura di b) 3

Lezione 18 Identificazione di particelle Per identificare una particella carica (massa e carica) dobbiamo usare 2 diversi dispositivi, in quanto dobbiamo determinare 2 quantità. L’impulso della particella è, in generale, determinato dalla deflessione della particella in un campo magnetico. Noto l’impulso e la carica devo eseguire un’altra misura per determinare la massa. 4

Lezione 18 Identificazione di particelle Metodi: Tempo di volo d. E/dx Radiazione di transizione Čerenkov K p p m 5

Lezione 18 Identificazione di particelle Tempo di volo (TOF). Necessaria un’ottima risoluzione temporale ( 300 ps sono facilmente raggiungibili con dei contatori a scintillazione). start stop Se 2 particelle di massa m 1 ed m 2 hanno lo stesso impulso e percorrono la stessa distanza L la differenza di tempo t 1 -t 2=Dt sarà : Si sono assunte particelle relativistiche ( E~pc ovvero mc 2<<pc) e si è sviluppato in serie fermandosi al primo ordine. 6

Lezione 18 Identificazione di particelle usando scala logaritmica: Dt for L = 1 m di lunghezza di traccia con L=3 m e separazione di 4 s separazione p/k fino a 1 Ge. V/c. (st = 300 ps) st = 300 ps p/K separation up to 1 Ge. V/c (1 s) 7

Lezione 18 Identificazione di particelle Esempio: CERN NA 49 (Ioni Pesanti) detail of the grid TOF requires fast detectors (plastic scintillator, gaseous detectors), approporiate signal processing (constant fraction discrimination), corrections + continuous stability monitoring. Small, but thick scint. 8 x 3. 3 x 2. 3 cm Long scint. (48 or 130 cm), read out on both sides 8

Lezione 18 Identificazione di particelle From g conversion in scintillators System resolution of the tile stack CERN NA 49 (Ioni Pesanti) Trel. = T / Tp L = 15 m 9

Lezione 18 Identificazione di particelle CERN NA 49 (Ioni Pesanti) Ma NA 49 ha anche delle TPC identificazione di particelle anche con d. E/dx NA 49 combined particle ID: TOF + d. E/dx (TPC) 10

Lezione 18 Identificazione di particelle Con misure simultanee di p e d. E/dx trovo la massa della particella e quindi identifico il tipo di particella. d. E/dx e m p p/K separation (2 s) requires a d. E/dx resolution of < 5% K p Average energy loss for e, m, p, K, p in 80/20 Ar/CH 4 (NTP) (J. N. Marx, Physics today, Oct. 78) Grosse fluttuazioni+ code di Landau La misura si esegue in un gas per ridurre l’effetto densità. 11

Lezione 18 Identificazione di particelle • Chose gas with high specific ionization • Divide detector length L in N gaps of thickness T. • Sample d. E/dx N times 1 wire L: most likely energy loss A: average energy loss 4 wires (B. Adeva et al. , NIM A 290 (1990) 115) calcolare media troncata, cioè ignora i campioni conteggi troppo elevati (e. g. 40%) (M. Aderholz, NIM A 118 (1974), 419) Don’t cut the track into too many slices ! There is an optimum for each total detector length L. aumentare la pressione del gas, ma attenzione effetto densità. 12

Lezione 18 Identificazione di particelle Esempio : TPC di ALEPH Gas: Ar/CH 4 90/10 log scale ! Npunti=338, spaziatura dei fili 4 mm Risoluzione di d. E/dx: 4. 5% per i Bhabha, 5% per i MIP. 13

Lezione 18 Identificazione di particelle d. E/dx puo’ anche essere misurato con apparati al silicio Esempio: Microvertice di DELPHI (4 x 300 mm di silici) 14

Lezione 18 Identificazione di particelle 15

Lezione 18 Identificazione di particelle Conteggio dei cluster Vantaggio: i cluster fluttuano alla Poisson 16

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) Ricordiamo: Energia irraggiata per ogni superficie di separazione medium/vacuum Numero di fotoni emessi per superficie di separazione è piccolo Servono molte superfici di separazione costruire una pila di fogli separati da un sottile strato di aria I raggi X sono emessi con un massimo a piccoli angoli q 1/g la radiazione sta vicino alla traccia 17

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) Spettro di emissione della radiazione Energia tipica Fotoni di alcuni Ke. V (Dai 30 Ke. V) • Spettro di emissione (simulato) di un foglio di CH 2 18

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) Contatori a radiazione di transizione § Radiatore: § il meglio è il Litio, ma fortemente igroscopico § Gruppi di fogli di CH 2 sono i preferiti (basso costo, sicuri, facili da fare) Materiale a basso Z piccolo riassorbimento (≈ Z 5 ) R D R D sandwich of radiator stacks and detectors minimize re-absorption 19

Lezione 18 Spessore dei fogli di CH 2 ~20 mm (zona di formazione). Le gap di aria devono essere ~ 1 mm. Se i fogli e le gap sono << della lunghezza di formazione segnale fortemente diminuito per effetti di interferenza Neff zona di formazione Contatori a radiazione di transizione (TRD) Parte della radiazione è riassorbita il numero di fogli è limitato basso Z minore riassorbimento. (fogli di litio o berillio) 20

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) 21

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) §Detector 22

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) 23

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) Una possibile geometria (schematica) Possibili 2 modi di lettura: Ø Ø Metodo della carica. Si integra tutta la carica raccolta per TR e d. E/dx ( al di sopra di una certa soglia). Si applicano dei tagli per le particelle con solo d. E/dx. limitato dalle code di Landau. ( metodo principalmente usato) Conteggio dei cluster. Si identificano i singoli cluster di ionizzazione primaria. Si contano i cluster al di sopra di una certa soglia. Minor fondo (il numero di cluster è distribuito alla Poisson), ma serve elettronica veloce e geometria speciale delle camere 24

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) ATLAS Transition Radiation Tracker A prototype endcap “wheel”. X-ray detector: straw tubes (4 mm) (in total ca. 400. 000 !) Xe based gas 25

Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD) TRT protoype performance Pion fake rate at 90% electron detection efficiency: p 90 = 1. 58 % 26