Ubrzivai i detektori u fizici elementarnih estica Mirko

Ubrzivači i detektori u fizici elementarnih čestica Mirko Planinić PMF Fizika elementarnih čestica prosinac 2006 Mirko Planinić

Gdje možete naći ovo predavanje ? http: //www. phy. hr/~planinic/nastava. html Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 2 Mirko Planinić

Sadržaj n Hadronski n Elektromagnetski kalorimetar n n Poluvodički detektori n Čerenkovljevi detektori n n Mnogožičane komore Interakcija čestica s materijom Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Hibridni detektori (STAR, ATLAS) n Od ubrzivača do suprasudarivača 3 n Sažetak Mirko Planinić

Uvod u detekciju čestica n Detekcija čestica Cilj detekcije je izmjeriti čestica u konačnom stanju u sudarima visokih energija. Manji impuls Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 4 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: � Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 5 Mirko Planinić

n Najvažniji zadaci detektora Uvod – 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 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 6 Mirko Planinić

Interakcija čestica pri prolasku kroz materiju Pregled interakcija � n q q Lead (Z=82) Čestice stvorene u visokoenergijskim sudarima međudjeluju elektromagnetski i /ili nuklearno pri prolasku kroz materijal detektora Glavni procesi za nabijene čestice su: l l l q Ionizacija Čerenkovljevo zračenje Zakočno zračenje C. Fabjan, 1987 Glavni procesi za fotone: �� l l l Lead (Z=82) Fotoelektrični efekt Comptonovo raspršenje Produkcija parova • Fotoni prodiru dublje u materiju nego nabijene čestice • Snop fotona ne gubi energiju prolaskom kroz materiju nego intenzitet Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 C. Fabjan, 1987 7 Mirko Planinić

Interakcija čestica s materijom n Ionizacija PDG, 2004 – Bethe-Bloch jednadžba: Prosječan gubitak energije -d. E/dx jedinicama: (Me. V/cm)/(g/cm 3)=(Me. V cm 2/g) -d. E/x za nabijene čestice: M » me Minimum na približno. : gdje je: Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 (-d. E/dx relativističkih čestica: Približno minimum-ionizing particle (MIP) Note: 1. Korekcije za gustoću ( ) i ljuske (C) na visokim and niskim energijama, respektivno 2. -d. E/dx za elektrone modificiran zbog kinematike i spina upadnog elektrona s elektronima iz materijala. 8 Mirko Planinić

Međudjelovanje s materijom n – Ovisnost o materijalu Ionizacija Materijal Z A Z/A d. E/dx min (Me. Vcm 2/g) Gustoća (g/cm 3) H 2 (tekućina) He 1 1. 008 0. 992 4. 034 0. 0708 2 4. 002 0. 500 1. 937 0. 125 C 6 12. 01 0. 500 1. 745 2. 27 Al 13 26. 98 0. 482 1. 615 2. 70 Cu 29 63. 55 0. 456 1. 403 8. 96 Pb 82 207. 2 0. 396 1. 123 11. 4 W 74 183. 8 0. 403 1. 145 19. 3 U 92 238. 0 0. 387 1. 082 19. 0 Scint. 0. 538 1. 936 1. 03 BGO 0. 421 1. 251 7. 10 Cs. I 0. 416 1. 243 4. 53 Na. I 0. 427 1. 305 3. 67 Slaba ovisnost jer je: Z/A ≈ 0. 5: l PDG, 2004 l l Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 9 Scintillator: d. E/dx|min ≈ 2 Me. V/cm Tungsten: d. E/dx|min ≈ 22 Me. V/cm Mirko Planinić

Međudjelovanje s materijom n Ionizacija l – Ovisnost o masi čestice 10% Methan / 90% Argon (2 mbar iznad atmosferskog tlaka) l Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 STAR Time-Projection Chamber (TPC): PDG, 2004 Minimum u ≈ 3 se dešava za fiksni impuls p na raznim mjestima u ovisnosti o masi čestice. l To je način identifikacije čestica na malim impulsima. l Primjer: Mp/M ≈ 10 10 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. Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 11 Mirko Planinić

Međudjelovanje s materijom n Bremsstrahlung. . . Zakočno zračenje – Zračenje realnih fotona u Coulonovom polju jezgre apsorbera: Srednji gubitak energije zračenjem Efekt igra ulogu za e+/- i ultrarelativističke mione (> 1 Te. V) ((m /me)2 ≈ 4· 104) Cu (Z=29) Kritična energija: E c Ec Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 C. Fabjan, 1987 PDG, 2004 12 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 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Emitira se “udarni val” fotona 13 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) Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 14 Mirko Planinić

Interakcija fotona s materijom – Fotoelektrični efekt q Comptonovo raspršenje�� Pretpostavka elektroni su kvazi-slobodni i E » mec 2: Atomski Compton udarni-presjek: Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 15 PDG, 2004 Mirko Planinić

Interakcija fotona s materijom – Proizvodnja parova – Apsorpcijski koeficijent Ukupna vjerojatnost međudjelovanja fotona s materijom: X 0 (Pb) = 6. 4 g/cm 2 Vjerojatnost po jedinici duljine ili ukupni apsorpcijski koeficijent (inverz od apsorpcijske duljine ): Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 PDG, 2004 16 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. 992 866 718 0. 0708 He 2 4. 00 2 0. 500 756 520 0. 125 C 6 12. 0 1 0. 500 18. 8 38. 1 2. 27 Al 13 26. 9 8 0. 482 8. 9 39. 4 2. 70 Cu 2 9 63. 5 5 0. 456 1. 43 15. 1 8. 96 Pb 8 2 207. 2 0. 396 0. 56 17. 1 11. 4 W 7 4 183. 8 0. 403 0. 35 9. 58 19. 3 U 9 2 238. 0 0. 387 0. 32 10. 5 19. 0 Scint. 0. 538 42. 4 81. 5 1. 03 BGO 0. 421 1. 12 22. 1 7. 10 Cs. I 0. 416 1. 85 36. 9 4. 53 Na. I 0. 427 2. 59 41. 1 3. 67 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 I X 0, 0 [cm] n X 0 Z 17 Mirko Planinić

Uvod u detekciju čestica n Detekcija čestica Scintilatorima Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 18 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 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 20 Mirko Planinić

Elektromagnetski kalorimetar Zakočno zračenje i proizvodnja parova stvaraju u kaskadi elektromagnetski pljusak Pretpostavimo da : l E 0 – energija primarnog elektrona l X 0 - radijacijska dužina l Elektron nakon prolaska kroz X 0 emitira foton energije l l Pri prolasku kroz jos jednu X 0 foton se pretvori u e-e+ par (svaki od njih ima ene. ) • Energija čestice na dubini t bit će • Proces se nastavlja dok ne bude kad ionizacija počinje biti važna a zračenje prestaje. • Maximum pljuska će se desiti na: • Broj čestica u maksimumu bit će: Nakon t radijacijskih duljina imat ćemo čestica (fotona, elektrona, pozitrona) • Suma duljina tragova u cijelom pljusku (u radijacijskim duljinama) je: Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 21 Mirko Planinić

Elektromagnetski kalorimetar ZADATAK Eksperiment s protonskim raspadom se može izvesti upotrebom velikog spremnika za vodu kubičnog oblika kao izvora protona, a mogući mod raspada se treba detektirati Čerenkovljevim svjetlom emitiranim kada elektromagnetski pljuskovi iz produkata raspada prolaze kroz vodu. Kako velik treba biti spremnik za vodu da bi sadržavao takve pljuskove ? Izračunajte sumu svih duljina tragova pljuska u jednom događaju, a od tuda i ukupni broj fotona emitiranih u vidljivom području (λ=400 -700 nm). Svjetlo treba detektirati poljem fotomultiplikatora smještenih na vodenoj površini. Optička transmitivnost vode je 20 %, a efikasnost fotokatode je 15 %. Koji dio površine treba biti pokriven fotokatodama da se dobije energijska rezolucija 10 % ? Uzmite da se Čerenkovljevim zračenjem u vidljivom djelu spektra emitira 200 fotona cm-1 X 0=36. 1 cm Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Rezolucija se odredjuje fluktuacijom ( ) broja čestica u maksimumu (N) gdje je N~E 22 Mirko Planinić

Elektromagnetski kalorimetar Elektroni i pozitroni velike energije zakočno zračenje + produkcija parova pljusak Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 23 Mirko Planinić

Hadronski kalorimetar Hadronski pljusak : ulazni hadron neelastični sudar proizvodnja sekundarnog hadrona … ØSkala longitudinalnog razvoja ovisi o nukl. aps. duljini λ (80 gcm-2 (C) , 130 gcm-2 (Fe), 210 gcm-2 (Pb) Øλ je velik u odnosu na X 0 Hacal su veliki u odnosu na Ecal ØŽeljezo-scintilator longitud. ~2 m, transverz. ~0. 5 m ØU hadronskoj kaskadi 30 % energije se gubi (razbijanje jezgre, nuklearna pobudjenja, evaporacija neutrona) upotreba 238 U za kaskadni medij Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 24 Mirko Planinić

Mnogožičane komore Ulazna čestica _Katodna ravnina_____________ 2 mm MWC anodne žice _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 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 25 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 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 26 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 MWC Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 elektroni 27 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 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 28 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 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 29 Mirko Planinić

Hibridni detektori Eksperimenti u FEČ Istovremena detekcija više čestica Redoslijed detekcije čestica ilustriran je na slici: Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 30 Mirko Planinić

Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 31 Mirko Planinić

STAR experiment Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 32 Mirko Planinić

Ubrzivači i otkrića novih čestica n Najvažnija otkrića novih čestica nakon primjene ubrzivača Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 33 Mirko Planinić

Za vidjeti najmanje čestice: potrebne su najveće energije! E = mc 2 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 34 Mirko Planinić

E = mc 2 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 35 Mirko Planinić

Uranjanje u subatomski svijet n Da bismo “elektronskim mikroskopom” postigli rezoluciju treba elektrone ubrzati na energiju Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 36 Mirko Planinić

Možemo li koristiti kozmičke zrake ? Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 37 Mirko Planinić

Van de Grafov ubrzivač Što je ograničavajući faktor? Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 38 Mirko Planinić

Princip rada linearnog ubrzivača n. SIMULACIJA Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 39 Mirko Planinić

Linearni ubrzivač a) lin. ubrz. za Cs-137, f=10 MHz, V 0=100 k. V, Ti=1 Me. V b) električno polje u t=0 (ubacivanje iona) Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 c) električno polje u t=1/2 f (f je RF frekvencija) 40 Mirko Planinić

Kružni ubrzivač (ciklotron) Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 41 Mirko Planinić

Ostali kružni ubrzivači Sinkrociklotron – Øprethodnik sinkrotrona Ømag. polje konstantno Ørf frekvencija se mijenja da bi se održala sinkronizacija u relativističkom režimu Sinkrotron Ømagnetsko polje i rf frekvencija se mijenjaju da bi se čestice održale na stalnom polumjeru Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 42 Mirko Planinić

Betatron ØZasnovan na principu mag. Indukcije. ØPodesan za elektrone. ØKonstruiran 1941 (D. W. Kerst). ØUzima se takva promjena toka da omjer v i B u relaciji bude stalan. Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 43 Mirko Planinić

Ograničavajući faktori kružnih ubrzivača 1) Gubitak energije zračenjem: 2) Istraživanja na malim dimenzijama Luminoznost: mali udarni presjek L=broj čestica u jed. vrem. /jedinica površine Vjerojatnost događaja=udarni presjek * luminoznost Za fiksiranu metu 3) Raspoloživa energija: Za sudarivač Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 44 Mirko Planinić

Ubrzavanje čestica televizija je ubrzivac čestica u malom! Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 45 Mirko Planinić

Sudarivači LABORATORIJ Kratic a Ime dužina (opseg ) km Energija snopa vrsta čestica Luminozitet Stanford Linear Accelerator Center SLAC SLC 3. 2 50 Ge. V 1034 cm-2 s-1 Fermi National Accelerator Lab. FNAL Centre Europeene pour la Recherche Nucleare CERN Deutches Eektronen – Synchrotron DESY Tsukuba-Tokio KEK e+ e. TEVATRON 6. 3 1000 Ge. V p, LEP 27 7000 Ge. V LHC HERA p, Pb 6. 3 e 26 Ge. V p 820 Ge. V TRISTAN 3 e- e+ 30 Ge. V Brookhaven National Lab. Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 BNL RHIC 3. 8 0. 5 p, Au, D, C 46 5. 2 x 1032 cm-2 s-1 1034 cm-2 s-1 4. 3 x 1030 cm-2 s-1 1033 cm-2 s-1 Au Au 1026 cm-2 s-1 p p 1031 cm-2 s-1 Mirko Planinić

Ubrzivači M. Tigner, Physics Today, January 2001 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 47 Mirko Planinić

n LEP and LHC at CERN, Geneva LEP, LHC – LEP: Centre-of-mass energy (e+e-) up to 205 Ge. V – LHC: Centre-of-mass energy (pp): 14000 Ge. V = 14 Te. V – Circuference: 27 km Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 48 Mirko Planinić

Tevatron n World’s Highest Energy proton-anti-proton collider Tevatron – Centre-of-Mass Energy: Ecm=1. 96 Te. V – Circumference: 6. 85 km Chicago CDF p Tevatron Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 DØ p 49 Mirko Planinić

HERA n Collider experiment: Electron-Proton collisions at HERA (DESY, Hamburg, Germany) Equivalent to fixed target of Ee = 50600 Ge. V: Ee = 27. 5 Ge. V Ep = 920 Ge. V Circumference: 6. 3 km Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 50 Mirko Planinić

RHIC New York City n n n Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) Brookhaven National Laboratory (BNL) Long Island , NY Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 51 Mirko Planinić

RHIC-spin Siberian Snakes PHOBOS 70% Beam Polarization 50 < √s < 500 Ge. V Siberian Snakes STAR Spin Rotators LINAC Partial Siberian Snake BOOSTER 200 Me. V Polarimeter 2 1011 Pol. Protons / Bunch = 20 mm mrad AGS Internal Polarimeter AGS Rf Dipoles l BRAHMS & PP 2 PP Lmax = 2 x 1032 cm-2 s-1 PHENIX Pol. Proton Source 500 m. A, 300 ms Absolute Polarimeter (H jet) RHIC p. C Polarimeter AGS p. C Polarimeter RHIC performanse u FY 02: l FY 02 devices FY 03 and beyond RHIC performanse u FY 03: ð Energija snopa: 100 Ge. V ð Luminoznost: 5 • 1029 s-1 cm-2 ð Luminoznost: 2 • 1030 s-1 cm-2 ð Integrirana luminoznost: 0. 3 pb-1 ð Integrirana luminoznost: 0. 5 pb-1 (transferzalna) ð Bunch crossing time: 213 ns 0. 4 pb-1 (longitudinalna) ð Polarizacija: 0. 2 (transverse) ð Bunch crossing time: 213 ns ð Polarizacija: 0. 3 (transferzalna i longitudinalna) Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 52 Mirko Planinić

Standardni model Gravitacija Elektomagnetska Jaka Slaba Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 53 Mirko Planinić

Zašto CMS i LHC ? n n n Standardni Model odgovara na mnoga pitanja o strukturi i stabilnosti materije sa svojih 6 vrsta kvarkova, 6 leptona i 4 sile n No isto tako ostavlja i mnoga otvorena pitanja: Zašto postoje tri vrste kvarka i leptona za svaki naboj? Da li postoji neka zakonitost u njihovim masama? Da li na višim energijama možemo očekivati još novih čestica i sila? Da li kvarkovi i leptoni imaju podstrukturu? Koje čestice čine tamnu materiju u svemiru? Kako bi se gravitacijske interakcije mogle uključiti u standardni model? n Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 54 Mirko Planinić

1 Higgsov mehanizam Zamislite da je dvorana, puna fizičara koji časkaju, kao prostor ispunjen Higgsovim poljem. . . 2 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Jako poznati znanstvenik ulazi iznenada u dvoranu privlačeći skup (cluster) obožavatelja svakim svojim korakom 55 Mirko Planinić

3 Higgs. . . to povečava njegov otpor prema gibanju tj. dobiva masu kao i čestica koja se giba kroz Higgsovo polje. . . 4 Ako vijest prijeđe u susjednu dvoranu. . . 5 . . . stvara opet cluster (skup) znanstvenika ali ovaj puta izmedju njih samih. . . U toj analogiji clusteri su Higgsove čestice. Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 56 Mirko Planinić