Lezione 19 Contatori erenkov Ricordiamo soglia Angolo di

Lezione 19 Contatori Čerenkov Ricordiamo: soglia Angolo di saturazione (b=1) Numero di fotoni emessi per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda Rivelatori di Particelle 1

Lezione 19 Contatori Čerenkov materiale n-1 b (soglia) g (soglia) Plexiglas (lucite) 0. 48 0. 66 1. 33 Acqua 0. 33 0. 75 1. 52 Aerogel 0. 025 -0. 075 0. 93 -0. 976 4. 5 -2. 7 Pentano (STP) 1. 7 x 10 -3 0. 9983 17. 2 CO 2 4. 3 x 10 -4 0. 9996 34. 1 H 2 (STP) 1. 4 x 10 -4 0. 99986 59. 8 He (STP) 3. 3 x 10 -5 0. 99997 123 Rivelatori di Particelle 2

Lezione 19 Contatori Čerenkov Ricordiamo inoltre che in un gas : n ~ 1+ h. P (P = pressione) Gas h x 10 -4 H 2 1. 38 N 2. 97 Etilene 7. 2 CO 2 4. 5 Propano 10 Pentano 17 Rivelatori di Particelle 3

Lezione 19 Contatori Čerenkov La perdita di energia per radiazione Čerenkov è piccola rispetto a quella dovuta all’ionizzazione (Bethe-Block) (~1%). Il numero di fotoni emessi è piccolo (vedi tabella) Rivelatori di Particelle 4

Lezione 19 Contatori Čerenkov Il numero di foto-elettroni rivelabili per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda si ottiene integrando la: sulle lunghezze d’onda del visibile (350 -500 nm) ( dove il fotorivelatore è sensibile) Esempio: per un apparato con Q. E. =0. 2 lungo L=1 cm e qc =30° ci attendiamo Np. e. =18 Rivelatori di Particelle 5

Lezione 19 Contatori Čerenkov In generale il radiatore ha una certa dispersione, cioè l’indice di rifrazione n = n(E) con dn/d. E 0. Questo porta ad un errore cromatico s. E è connesso a DE: L’errore cromatico può essere ridotto solo riducendo DE o tramite complicate correzioni ottiche In pratica molti apparati sono dominati dall’errore cromatico. Rivelatori di Particelle 6

Lezione 19 Contatori Čerenkov I contatori Čerenkov possono sfruttare: § Nph(b) : contatori a soglia (non misuro l’angolo di Cerenkov) § q(b) : contatori differenziali e RICH Rivelatori di Particelle 7

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Principio di funzionamento Rivelatori di Particelle 8

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Consideriamo 2 particelle di masse m 1 ed m 2 e con lo stesso impulso p. Per distinguerle in un Čerenkov a soglia è necessario che la particella più leggera (m 1) emetta luce e l’altra no ( considerando la seconda a soglia) Assumendo particelle relativistiche avrò: Se il radiatore è lungo L e l’efficienza quantica del PM è QE Se N 0 è il numero di p. e. necessari per avere piena efficienza Rivelatori di Particelle 9

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Esempio: k, p a p=10 Ge. V/c m 1=494 Me. V/c 2; m 2=938 Me. V/c 2; N 0=10; QE=0. 25 L’indice di rifrazione deve essere scelto in modo da essere esattamente a soglia per i p (o appena sotto-soglia) cioè n=E/p=1. 0044 e. g. pentano a pressione Rivelatori di Particelle 10

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia In pratica se abbiamo un fascio non separato di p+, k+, p di impulso p=10 Ge. V/c usiamo più Čerenkov per poter identificare tutte le particelle. part. n soglia Radiat. n Radiat p 1. 0001 Azoto CO 2 1. 0003 1. 00045 k 1. 0012 pentano propano (2 atm) 1. 0017 1. 002 Aerogel 1. 025 p 1. 0044 Cp Ck Cp ■ ■ k ■ □ ■ ■ p □ □ ■ p ■ =1; □=0 Rivelatori di Particelle 11

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Un grosso Čerenkov Sopra soglia per pioni e K di 6, 10 e 14 Ge. V/c Riempito di propano a pressione Rivelatori di Particelle 12

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Il contatore più grande riempito di CO 2 a pressione atmosferica, s opra soglia solo per pioni Rivelatori di Particelle 13

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Goal: p/K separation bkaon Example: study of an Aerogel threshold detector for the BELLE experiment at KEK (Japan) Aerogel = misture di Si 02 e H 20 con aria Rivelatori di Particelle 14

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Rivelatori di Particelle 15

Lezione 19 Contatori Čerenkov differenziali Attenzione al di sopra di 20 -30 Ge. V, se non voglio avere dei Čerenkov troppo lunghi, conviene misurare l’angolo di Čerenkov. Contatori differenziali o DISC (una via di mezzo fra contatori a soglia e per la misura dell’angolo ) Principio di funzionamento specchio q Guida di luce in aria radiatore Accetta solo particelle in una finestra di velocità (b). Tutte le particelle che hanno una velocità > bmin=1/n sono sopra soglia. Al crescere di b aumenta l’angolo di Čerenkov fino a raggiungere l’angolo di riflessione totale la luce non entra nella guida di luce. L’angolo di riflessione totale può essere calcolato dalla legge di Snell (sin(qt)=1/n) e siccome cosq=1/bn bmax=(n 2 -1)-1/2. solo particelle in una finestra di velocità possono essere rivelate (piccola accettanza). Fotomoltiplicatore Se il DISC è ottimizzato otticamente (e. g. con dei prismi per le aberrazioni cromatiche) si possono ottenere Db/b~10 -7 Rivelatori di Particelle 16

Lezione 19 Contatori differenziali e DISC ■ solo particelle in una finestra di b. accettanza limitata ■ Funzionano solo se le particelle incidenti sono // all’asse ottico non utilizzabili ai Collider ■ Prismi correggono le aberrazioni cromatiche ( n = n (l ) ) Rivelatori di Particelle 17

Lezione 19 Contatori RICH Ring Imaging Čerenkov Counters ( RICH ) I RICH misurano l’angolo qc intersecando il cono di luce Cerenkov con un piano fotosensibile. requires large area photosensitive detectors, e. g. • wire chambers with photosensitive detector gas • PMT arrays (J. Seguinot, T. Ypsilantis, NIM 142 (1977) 377) . . . Esempi di angoli n = 1. 28 C 6 F 14 liquid p/K n= 1. 0018 C 5 F 12 gas DELPHI p/K/p Cosq=1/bn sb/b=tanq sq Se si raccolgono N fotoni minimizzare sq p/h p/K/p massimizzare Np. e. K/p Rivelatori di Particelle 18

Lezione 19 Contatori RICH Fino a quale impulso p due particelle di massa m 1 ed m 2 possono essere separate da un RICH con ns ? Rivelatori di Particelle 19

Lezione 19 Contatori RICH Principio di operazione di un RICH DELPHI RICH 2 radiators + 1 photodetector spherical mirror C 5 F 12 (40 cm, gas) C 4 F 10 (50 cm, gas) Photodetector TMAE-based A RICH with two radiators to cover a large momentum range. p/K/p separation 0. 7 - 45 Ge. V/c: DELPHI and SLD C 6 F 14 (1 cm, liquid) (W. Adam et al. NIM A 371 (1996) 240) Rivelatori di Particelle 20

Lezione 19 Contatori RICH Due modi per vedere l’angolo: v Nessuna focalizzazione La determinazione di qc richiede: § § x, y, z del fotone § direzione della particella qp, fp xe, ye, ze punto di emissione del fotone Rivelatori di Particelle 21

Lezione 19 Contatori RICH Sorgenti di errore: 1. Errori cromatici possono essere molto grandi quando siamo vicini all’angolo di riflessione totale. 2. Errore sul punto di emissione del fotone si assume che viene dal centro del radiatore va bene solo se il radiatore è sottile 3. 4. Risoluzione spaziale del detector Direzione della particella normalmente i RICH non sono degli apparati solitari il funzionamento del RICH dipende dalla qualità del tracciamento Rivelatori di Particelle 22

Lezione 19 Contatori RICH v Apparati focalizzanti Il sistema funziona bene solo per piccoli parametri d’impatto xi<<RM e piccoli angoli di Čerenkov. Inoltre apparati piatti sono più facili da costruire. L’ errore sull’angolo di emissione del fotone è ridotto (di molto) possibile costruire radiatori lunghi (ed avere quindi più fotoni) Lunghezza focale di uno specchio sferico f=RM/2=RD. Raggio cerchio Čerenkov r=fqc=(RM/2)qc=RDqc b Rivelatori di Particelle 23

Lezione 19 Contatori RICH Fotorivelatori per RICH § Camere a fili § § § Fotocatodi a gas fotocatodi solidi Fotomoltiplicatori (multi-anodi), fotodiodi ibridi Rivelatori di Particelle 24

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Fotocatodi Gassosi La maggioranza degli esperimenti usano TMAE. ma: Bassa tensione di vapore. TMAE (e l’intero apparato) devono essere scaldati per ottenere una lunghezza di assorbimento lph accettabile. Esempio DELPHI: TTMAE=28 °C lph ≈ 16 mm È stato dimostrato che TEA funziona. DMA e TMA poco attrattivi perché hanno alte soglie EI Rivelatori di Particelle 25

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Efficienza quantica di TMAE Rivelatori di Particelle 26

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Efficienza quantica di TEA Rivelatori di Particelle 27

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Le camere devono essere operate a basso guadagno G≈105 Rivelatori di Particelle 28

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Esempio : DELPHI Rivelatori di Particelle 29

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Fotocatodi solidi Cercare fotocatodi con bassa soglia, alta QE, e che funzionino in un gas a pressione atmosferica. Al momento attuale Cs. I sembra il miglior candidato. Infatti: ▲ soglia 6 e. V ≈ 210 nm ▲ alta QE quasi come TMAE ▲ preparazione relativamente facile deposizione sotto vuoto) ▲ stabilità ragionevole in aria ▲ resistività relativamente bassa (1010÷ 1011 Wcm) il catodo non si carica ad alto rate. Rivelatori di Particelle 30

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Rivelatori di Particelle 31

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Rivelatori di Particelle 32

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH fotomoltiplicatori, fotodiodi ibridi Rivelatori di Particelle 33

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Materiali per radiatori e finestre. Rivelatori di Particelle 34

Lezione 19 DIRC = Detector for Internally Reflected Cerenkov light D Barre di quarzo sia radiatore che guida di luce. Riflessione totale angolo di riflessione totale q ≥ 40° nei RICH devo avere traccia incidente ┴ all’asse focale degli specchi, nel DIRC la quantità di luce riflessa aumenta con l’aumentare dell’angolo di incidenza buono per piccolo angolo di incidenza ( tracce praticamente // alle barre). Rivelatori di Particelle 35

Lezione 19 DIRC Rivelatori di Particelle 36

Lezione 19 DIRC Rivelatori di Particelle 37

Lezione 19 DIRC Un disegno più chiaro del DIRC : una barretta di quarzo poco materiale davanti al calorimetro elettromagnetico. Rivelatori di Particelle 38

Lezione 19 DIRC Rivelatori di Particelle 39

Lezione 19 DIRC Rivelatori di Particelle 40

Lezione 19 DIRC Rivelatori di Particelle 41

Lezione 19 Identificazione di particelle Sommario § Vari metodi disponibili per identificare le particelle in un ampio intervallo d’impulsi. § A seconda dello spazio disponibile, la potenza del metodo d’identificazione può variare significativamente. Un plot molto rozzo: e± identification p/K separation Rivelatori di Particelle 42