I rivelatori di particelle elementari
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I Rivelatori di Particelle Elementari. Idee generali sui rivelatori di particelle Le interazioni radiazione-materia I sistemi di tracciatura I sistemi calorimetrici Esperimenti ai collisori Identificazione di particella. Stefano Miscetti LNF - 17 Set 2002.

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I Rivelatori di Particelle Elementari

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Presentation Transcript


I rivelatori di particelle elementari

I Rivelatori di Particelle Elementari

  • Idee generali sui rivelatori

    di particelle

  • Le interazioni radiazione-materia

  • I sistemi di tracciatura

  • I sistemi calorimetrici

  • Esperimenti ai collisori

  • Identificazione di particella

Stefano Miscetti

LNF - 17 Set 2002


La fisica delle particelle elementari

La fisica delle particelle elementari

La fisica delle alte energie (HEP) studia le interazioni tra le particelle

effettuando degli esperimenti di diffusione tra differenti particelle

Collisioni Ptot = 0 s.c.m.

Esperimenti a bersaglio fisso

Come risultato si possono:

Modificare direzione, energia, impulso

delle particelle

Creare nuove particelle

ALTE

ENERGIE

 lunghezze d’onda piccolissime ( = h/P)

studio della struttura interna

 creazione di nuove particelle E = mc2


Quantit misurabili

E1,p1

m

E2,p2

Quantità misurabili

  • 4-impulso (E, Px, Py, Pz)

  • E = mo c2  (energia in eV)

  • P = mo v  (impulso in eV/c)

  • Massa (in eV/c2)

    - quantità derivata da E, P

    - misurata dai prodotti di decadimento

    moc4 = (E1+E2)2 - (cp1+ cp2)2

  • Carica

  • Vita media

    (Lab) = (cm) 

    - dal percorso prima di decadere

  • Spin

    dalle distribuzioni angolari

E2 = P2 c2 + mo2 c4

b = v/c

 = 1/ (1- b2)


I rivelatori di particelle elementari

Scale di masse, energie, lunghezze e tempi (I)

Scala energia e masse in HEP:

1 MeV

1 GeV

1 TeV

Me = 0.5 MeV

MZ = 91 GeV

Mm = 105 MeV

Mn,p = 1 GeV

MLHC = 14 TeV

Mp = 140 MeV

MLEP = 200 GeV

Paragone energie HEP con energie macroscopiche

1eV = 1.6 10 -19 J , c = 300.000 km/s  1eV/c2 = 1.8 10-36 kg

mape = 1 g = 5.8 · 1032 eV/c2

vape = 1 m/s  Eape = 10-3 J = 6.25 · 1015 eV

ELHC (1 protone) = 1.4 x 1013 eV

Se però si considerano tutte le particelle in un fascio (1014) ....

Energia cinetica

di un tir in corsa

Etot = 1014 x 1.4 x 1013 eV  10 8 J


I rivelatori di particelle elementari

Scale di masse, energie, lunghezze e tempi (II)

Valori tipici di lunghezze

1 m (10-6 m) risoluzione spaziale rivelatori

1 nm (10-9 m) lunghezza d’onda visibile

400-600 nm

1 A (10-10 m) dimensione dell’atomo

1 fm (10-15 m) dimensione del protone

Valori tipici di tempo

1 s (10-6 s) tempo di deriva e– in 5 cm di Ar

1 ns (10-9 s) un e– relativistico percorre

30 cm

1 ps (10-12 s) vita media di un mesone B

(10-23 s) tempi decadimenti nucleari forti

  • spesso per semplificare le formule si pone  = c = 1 

  • c = 1 = 197 MeV fm

  • E2 = p2 + m02  [E] = [m] = [p] = eV

  • =  /|p| = 1/|p| T = L/c = 1/|p| = 1/E

Paragone lunghezze energia

  • 1 fm 200 MeV

  • 1 A 2000 eV (raggi X)

  • 400 nm 0.5 eV (visibile)


I rivelatori di particelle elementari

Particelle da rivelare ...........

  • Particelle cariche

    • Leptoni e–, e+ , m (muoni) solo interazioni em+deboli

    • Adroni p (protoni) subiscono anche interazioni forti

    • Mesoni p (pioni), K(Kaoni)subiscono anche interazioni forti

  • Particelle neutre

    - g (fotoni) propagatori della interazione em

    • Adroni n (neutroni)

    • Mesoni K0 (Kaoni)

    • Leptoni  (neutrini) solo interazioni deboli!


Rivelatori di particelle i

Rivelatori di particelle (I)

  • I rivelatori di particelle sono degli strumenti che permettono di misurare i segnali rilasciati al passaggio della particella in un mezzo. Esiste una grande quantità di rivelatori diversi, ognuno ottimizzato per effettuare delle misure specifiche. In generale i rivelatori vengono grossolanamente suddivisi in 3 grandi categorie:

  • contatori (frequenza)

  • traccianti (traiettoria,carica, momento)

  • calorimetri (energia, tempo di volo)

  • Combinando le informazioni di più rivelatori si ottengono informazioni più dettagliate come massa, velocità, spin, tipo di particella.


Rivelatori di particelle ii

Rivelatori di particelle (II)

m, P1, E1

Sistema di tracciatura

m, P, E

  • Il sistema di tracciatura determina

  • la traiettoria della particella

  • Se immerso in un campo magnetico

  • B si riescono a determinare anche

  • la carica Q ed il momento P

  • La particella subisce una minima

  • perdita d’energia nel sistema

B

-

+

Sistema Calorimetrico

  • In questo caso invece la

  • particella viene quasi

  • completamente assorbita

  • Il segnale è proporzionale

  • alla sua energia:

  • S = K E

m, P, E


Risposta e risoluzione di un rivelatore

Risposta e risoluzione di un rivelatore

  • Il segnale di risposta, Q , prodotto dal rivelatore al passaggio della

    particella determina il valore della quantità misurabile S:

    Q è legata ad S dalla relazione S = f(Ki, Q) dove Ki sono

    le costanti di calibrazione. Tipicamente la risposta è lineare

    ( E = KQ , X = V (T-T0) )

     La risposta è distribuita “solitamente” secondo una curva gaussiana

    la cui deviazione standard rappresenta la risoluzione del rivelatore

  • Le costanti di calibrazione:

  • - possono dipendere dalla posizione

  • nel rivelatore

  • - devono essere determinate per

  • ogni singolo canale di lettura

  • la loro stabilità deve anche essere

  • controllata nel tempo


Propriet di un rivelatore di particelle ideale

Proprietà di un rivelatore di particelle ideale

L’efficienza di un rivelatoreè il rapporto

e = NR NI tra il numero di particelle

segnalate dal rivelatore e il numero di

particelle incidenti.

Il rumoreè dato dai segnali prodotti dal

rivelatore non correlati alla particella in

esame ma dovuti a fluttuazioni intrinseche

del sistema (es: rumore elettronico).

In un rivelatore ideale vorremmo essere in grado di ricostruire tutte le variabili in esame con:

- risoluzione perfetta

- in tutto l’angolo solido

- per tutte le particelle incidenti

- con una velocità di risposta elevata

- senza alcun rumore

- facilità e stabilità nella calibrazione


Le particelle cariche

Le particelle cariche

Due effetti “principali” caratterizzano il passaggio delle particelle cariche nella materia:

  • 1) collisioni inelastiche con gli elettroni atomici del materiale

  • 2) diffusione elastica dai nuclei

fenomeni più rari sono: emissione Cerenkov, reazioni nucleari, bremsstrahlung

Dx

Particella pesante di massa M e carica ze

Eo

E1

Elettroni atomici

  • Il fenomeno 1) determina per le particelle pesanti la perdita di energia nella materia

    - In tali collisioni dell’energia viene trasferita dalla particella all’atomo causando

    ionizzazione o eccitazione degli stati atomici.

  • Talvolta gli elettroni estratti hanno energia sufficiente per creare altre ionizzazioni

  • (delta rays).

  • La diffusione elastica con i nuclei avviene molto più raramente e l’energia trasferita è

  • poca poiché la massa nucleare è tipicamente maggiore della particella incidente.


La formula di bethe block

dE

Dipende solo da b non da M

dx

dE

dx

2me c2g2b2

Z

I2

Ab2

 

= -4p NAre2 me c2 z2 1/2 ln Tmax - b2 - d/2

La perdita media di energia, dE, per unità

di percorso, dx(g/cm2) = dx(cm) , di una

particella pesante (M, q=ze) in un materiale

di densità , numero atomico Z, peso atomico

A è dato dalla formula di Bethe-Block.

La formula di Bethe-Block

  • discesa di Bragg 1/2

  • minimo di ionizzazione

    2 , 11, 13 MeV/cm

    in plastica, ferro, piombo

  • risalita relativistica

  • Tmax = me c2 

  • massima energia trasferita

  • I = IoZ (Io = 10 eV)

    potenziale di eccitazione medio

Per e+ e– la massa del bersaglio

e del proiettile sono uguali 

Tmax = E/2 . Inoltre BREMS


Perdite di energia per elettroni e positroni

716.4 g cm -2 A

X0 =

Z (Z+ 1) ln (287/  Z)

e

Perdite di energia per elettroni e positroni

(Bremsstrahlung = Irraggiamento)

A causa della piccola massa gli elettroni subiscono oltre alla perdita di energia anche

deviazioni sostanziali per diffusione da parte del nucleo emettendo radiazione e.m.

Ze

e

dE/dx| irr = –E/Xo

Ec

Lunghezza

di radiazione

dE/dx| tot = dE/dX|coll + dE/dx|irr

L’energia in cui dE/dX|coll = dE/dx|irr è chiamata energia critica ed è

parametrizzabile come Ec = 550 MeV/z. Per E > Ec la Brems. è dominante

e l’energia decresce esponenzialmente come E(x) = Eo e (–X/Xo)


Rivelazione di fotoni

e-

X

X-

qg

Z

Rivelazione di fotoni

Per poter essere rivelato un fotone deve creare o cedere energia ad una particella carica

Effetto

fotoelettrico

g + atomo  ione+ + e-

sfoto  Z5

Vengono estratti principalmente elettroni delle shell K

Diffusione

Compton

e

g + e  g’ + e’

s compton

Diffusione su elettrone quasi libero

Produzione

di coppie

g + campo Coul.  e+ + e-

spair  7/9 A/(NaXo)

La creazione di coppie avviene solo per energie maggiori

di 2 me ed è il fenomeno dominante per E > 20 MeV.

I(x) = Io exp(-7/9 x/Xo)


Rivelazione di adroni

Adrone

Z,A

p

p+

n

p0

p-

Rivelazione di adroni

Gli adroni nei materiali, oltre alla perdita di energia se carichi, danno origini

ad interazioni nucleari eccitando o frantumando il nucleo.

  • molteplicità è  ln(E)

  • per analogia con interazioni

    e.m. si definisce la lunghezza

    di assorbimento adronico

    -  = A/ ( NA INEL )

    - N(X) = NO exp (-X/ )


Rivelazione di neutroni e neutrini

  • nl+ n l- + p

  • n l+ p l+ + n

Rivelazione di neutroni e neutrini

  • I neutroni sono adroni “neutri”.

  • Ad alte energie si rivelano come tutti gli adroni (sciami)

  • Ad energie < 1 GeV si rivelano per diffusione elastica di protoni

  • Ad energie < 20 MeV

  • I neutroni termici ( E = 1/40 eV ) danno origine a fenomeni di fissione

1) n + 6Li  a + 3He

2) n + 10B  a + 7Li

3) n + 3He  p + 3H

I neutrini sono leptoni neutri e si rivelano solo con processi indiretti (deboli)

La sezione d’urto del processo n e+ n e- + p e` circa 10-43 cm2

l’efficienza di rivelazione 1 m di Ferro e 5  10-17

l = e, m, t

Per rivelare i neutrini :

- (direttamente) flussi elevati , rivelatori giganteschi

- (indirettamente) in collisioni con rivelatori ermetici si trovano

i neutrini come assenza di energia, impulso nell’evento


I rivelatori a gas i

Z

I rivelatori a gas (I)

  • Le particelle cariche che attraversano un gaslo ionizzanocreando delle coppie

    elettrone (e–) Ione (X+)(Ionizzazione primaria).

  • Gli e–emessi (-rays) possono produrreIonizzazione secondaria.

Tipicamente si crea una coppia e–X+ ogni 30 eV. In Ar gas a STP una m.i.p. deposita circa 3 keV/cm i.e. si producono  100 coppie/cm.

Poca carica amplificazione

  • In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano

    (drift) verso l’anodo (gli ioni verso il catodo) dove il

    segnale viene raccolto

Anodo

HV +

  • Le miscele privilegiano i gas Nobili in quanto le shell

    esterne sono completamente riempite, riducendo la

    ricombinazione degli elettroni lungo il percorso

Catodo

a massa


I rivelatori a gas ii

Nioni/N1

A3

108

A2

A1

A4

104

102

1

250

500

750

HV (Volts)

+

+

-

-

+

+

+

+

-

I rivelatori a gas (II)

In funzione della tensione applicata ci sono diversi regimi diversi di lavoro

Regime Geiger: la scarica si estende lungo

tutto il filo. Si interrompe spengendo

Regime di streamer limitato: si formano

più valanghe, si perde la proporzionalità

Regime proporzionale: si forma una valanga

nella regione intorno all’anodo che è

proporzionale alla carica iniziale.

Regime di ionizzazione:

carica raccolta senza moltiplicazione

Nelle prossimità del filo la valanga crea atomi eccitati

che emettono fotoni capaci di ionizzare ulteriormente.

Si utilizzano molecole poliatomiche aggiunte

come assorbitori “quencher” es. metano (CH4), Isobutano


Mwpc camera proporzionale a molti fili

ITC (ALEPH)

Inner Tracking Chamber

x

z

d

MWPC (Camera Proporzionale a Molti Fili)

Ar 80%

Isobutano 24.5%

Freon 0.5%

Spaziatura tra anodi (d) è 1 –2 mm

Coordinata Z si determina con:

- piani incrociati di fili

- divisione di carica

- tempo di arrivo (delay line)

- induzione su strisce catodiche segmentate

Risoluzioni migliori: x 100 m, z  2-3 mm


Camere a deriva

ritardo

start

scintillatore

T

D

C

stop

x

deriva

anodo

Regione di deriva

a basso campo

Regione di deriva

a alto campo

Camere a deriva

La posizione della particella si ricostruisce misurando il tempo di arrivo degli elettroni

di deriva all’anodo rispetto ad un tempo di partenza (T0). Tale tempo viene o assegnato

tramite un contatore esterno o ricalibrato come la posizione intorno al filo

X = Vd (T-T0)

  • Miscele tipiche Ar-Etano (50%-50%)

  • G in regime proporzionale

  • Vd = 50 m /ns con velocità saturata

  • (dVd/dHV = 0)

Risoluzione spaziale determinata da 3 fattori

- risoluzione temporale (1-2 ns)

- fluttuazione statistica della

ionizzazione primaria

- diffusione longitudinale

Risoluzioni tipiche: 150 – 300 m


Risoluzione in impulso

y

S

B // z

R

x

Risoluzione in impulso

Ricostruiti i punti spaziali, la curvatura della traiettoria ( in presenza di B)

permette di determinare la carica e l’impulso della particella.

La particella descrive un elica nello spazio ma tipicamente (nei collisori) B è parellelo

al fascio(z) e la traiettoria è un arco di cerchio nel piano trasverso X-Y.

mv2/ = Flor=qvB/c

P(GeV) = 0.3 B(Tesla)(m)

S  R2/2

S1  R2/8 = .3BR2/8P

Utilizzando 3 punti

p/p = s/s = (3/2) xy p/(0.3BR2)

Utilizzando N punti equidistanti:

p/p = (720/N+4) xy p/(0.3BR2)

Buona risoluzione in P grandi B e R, buona risoluzione spaziale!!

Peggiora all’aumentare di P


Camere a proiezione temporale tpc

-

-

+

-

+

+

-

+

-

-

+

+

z = vdrift t

Camere a proiezione temporale (TPC)

  • Unione delle

  • 2 tecniche:

  • Drift lungo Z

  • MWPC nel

  • piano trasverso

MWPC

Determina r,f

-

-

-

E

-

-

-

-

Fili anodici

Catodo

a massa

B

Permette di tracciare in una

grande quantità di spazio con

pochi fili nella direzione

longitudinale:

- Alta risoluzione

- Lenta

- Limitata dalla diffusione

longitudinale

Cilindro riempito

Di miscela gassosa

E = 100-200 V/cm, B = 1-1.5 T

E // B


Aleph tpc

Aleph TPC

  • TPC di:

  • 3.6 m diametro

  • Lunghezza = 4.4m

  • Ar-CH4 91%, 9%

  • Pads r- 6x30 mm2

  • Max Tdrift = 45 s

Massima frequenza

sopportabile ~ KHz,

grazie alla griglia per

ioni intorno alla MWPC

OK a LEP con collisioni

di bassa frequenza

(r-) = 150 m, (z) = 750 m

Pt /Pt = 0.1 % Pt (GeV)  0.3%


Rivelatori di microvertice

Now precision limited by strip distance

10 - 100 mm

Rivelatori di microvertice

Ci sono altre tecnologie che permettono tracciatura ad alta precisione e non

sono limitate in frequenza: fibre scintillanti, microstrips a gas, GEM.

Non ne tratteremo in questa lezione: per una discussione approfondita

vedere sito educational www.lnf.infn.it Rivelatori 2001 di P.Giannotti.

Accenniamo soltanto ai rivelatori a stato solido per l’importanza che svolgono nei rivelatori di vertice secondario.

- limitati dalle strips di silicio

(tipicamente 50 m).

- risoluzioni spaziali di 10-25 m.

Permettono di ricostruire vertici

secondari distanti dal vertice primario

con risoluzione 30–50 m


Misure di vite medie

Misure di vite medie


Rivelatori a scintillazione

Rivelatori a scintillazione

Una particella carica, attraversando uno scintillatore, perde energia eccitando gli atomi del materiale. Questi ultimi, diseccitandosi, emettono luce visibile

(detta luce di scintillazione).

Tipi di scintillatori

  • Scintillatori inorganici (NaI, CsI, BGO, BaF2)

  • sono cristalli ionici drogati con impurità

  • - alta efficienza di scintillazione 1/ 20-100 eV

  • - elevata densità (rivelatori compatti) 4-5 g/cm2

  • - tempi di emissione elevati (100-600 ns)

  • - possono essere igroscopici ed avere la

  • risposta dipendente dalla temperatura

  • Scintillatori organici (BC102, POPOP, ... )

    sono complesse molecole organiche (tipicamente

    solute in opportune basi plastiche) in cui si ha emissione

    di luce UV in seguito all’eccitazione di livelli molecolari.

    Si aggiungono poi altre molecole (wave length shifter)

    per trasferire la luce nel visibile:

    - tempi di emissione rapidi (2.5-10 ns)

    - minor risposta luminosa 1/ 400 eV


Raccolta di luce e fotomoltiplicatori

fotomltiplicatore

Raccolta di luce e fotomoltiplicatori

In un rivelatore a scintillatore la luce visibile prodotta viene trasportata verso un apparecchio (fotomoltiplicatore, fotodiodo)

che la converte in un segnale elettrico.

  • Fotocatodo: vetro o quarzo

  • con deposito di materiale

  • FOTOSENSIBILE a basso

  • potenziale di estrazione

  • Efficienza quantica

    q = Np.e./N = 10-30%

  • Dinodi

    Estrazione secondaria

    K = 3-4

  • Partitore

    divisore resistivo per

    applicare HV sui dinodi

  • Anodo

    raccolta segnale

  • G  KNdinodi


Le fibre scintillanti

particella

cladding

aria

TR= 21

TR= 21

36

core

Le fibre scintillanti

Gli scintillatori si realizzano anche

sotto forma di fibra ottica.

La fibra è costituita da:

  • un nucleo scintillante interno detto

    “core” costituito da materiale plastico

    (polistirene) opportunamente drogato.

    Indice di rifrazione: n1 = 1.6.

  • Un rivestimento trasparente detto

    “cladding” costituito di plexiglass.

    Indice di rifrazione: n2 = 1.5

  • La luce prodotta in un cono di 21 si propoga per riflessione totale entro la fibra.

  • 3% raccolta

  • buona qualità

  • (fluttuazioni

  • temporali,

  • attenuazione)


Calorimetri

EM

HAD

Calorimetri

  • I calorimetri assorbono l’energia della particella incidente E e rilasciano un

  • segnale ad essa proporzionale:

  • Svolgono un ruolo rilevante e complementare alla tracciatura per la loro

    versatilità di uso e per il fatto che la risoluzione migliora all’aumentare

    dell’energia della particella!

  • Si dividono in due categorie:

  • - Omogenei ( tutto il materiale è sia assorbitore che attivo )

  • - Eterogenei ( è costituito da strati alternati di assorbitore e attivo )

Si dividono in calorimetri

elettromagnetici (EM) o

adronici (HAD) in funzione

della capacità di rivelare , 0

o adroni (n, p, , K)

, 0

n, p, , K

Le dimensioni dei calorimetri HAD sono maggiori

di quelli EM in quanto int > X0!!


Calorimetri elettromagnetici i sciami

Lead atom

Calorimetri Elettromagnetici (I): sciami

I calorimetri elettromagnetici sono i più semplici da comprendere in quanto

il fotone e l’elettrone che incidono creano degli sciami nel materiale il cui

comportamento è oggi completamente descritto da simulazioni dettagliate al

computer (EGS4).

Massimo

sciame

Coda

sciame

dE/dt = E0 ct exp(-t)

t = X/X0


Calorimetri em ii modello semplice di sciami

Calorimetri EM (II): modello semplice di sciami

  • Lo sciame è creato da e+, e–

  • che emettono  per BREMS

  • e  che creano coppie e+,e–

  • Questi processi avvengono

    a distance di 1 X0

  • In ogni processo E = Ei / 2

  • Alla distanza X abbiamo n

  • processi avvenuti con:

  • n = X/Xo

  • Es = E0/2n

  • Ns = 2n

  • La valanga si ferma ad Es = Ec

Il massimo dello sciame si ottiene ad Lmax = ln (E0/Ec) / ln 2

Lo sciame procede poi con processi dissipativi tipo ionizzazione,

effetto Compton o fotoelettrico. Si forma così la coda dello sciame


I calorimetri eterogenei

I calorimetri eterogenei

Struttura a sandwich!!

Strati di assorbitore e

materiale attivo intervallati:

  • Facilità di montaggio

  • Costi ridotti

  • Alta versatilità in

    - granularità di lettura

    - componente attiva

Materiali assorbenti

Densi ad alto Z:

PB, W ...

Rivelatori di particelle cariche,

scintillatori, camere proporzionali,

camere a ionizzazione (Kr, Xe),

fibre scintillanti


I calorimetri omogenei

Segnale

elettrico

Fotodiodo

Fotoni

dello

sciame

e.m.

Crystal (BGO, PbWO4,…)

I calorimetri omogenei

Calorimetri composti solo

di componente attiva

Questi cristalli sono usati anche in altri campi, in particolare in campo medico

perchè permettono alte risoluzioni per fotoni di bassa energia (PET)


Calorimetri elettromagnetici risoluzioni

Calorimetri Elettromagnetici: risoluzioni

  • Le risoluzioni energetiche sono dominate da 3 fattori

  • Fluttuazioni del segnale raccolto (es: N di fotoelettroni = Np.e.)

  • dipendono dalla statistica di Poisson: 1/Np.e.

  • Fluttuazioni di campionamento

  • dipendono dalla fluttuazione del numero di secondari prodotti

  • nell’assorbitore e sono proporzionali a d / Np.e. (d=spessore)

  • Perdite dello sciame per non completo contenimento

  • (leakage laterale o longitudinale)

  • Per calorimetri eterogenei:

  • (E/E)2= 1 / Np.e. + Ks / Np.e.

  • Per calorimetri a cristalli:

    (E/E) = K / E1/4

(4 – 20 %)/E(GeV)

2 – 4 % / E ¼

NaI (Tl) 14 % a 6 keV

2% ad 1 MeV

1% ad 1 GeV

Assumendo completo contenimento


Calorimetri adronici

Calorimetri Adronici

  • I calorimetri adronici sono molto più complicati di quelli EM perchè gli

  • sciami creati dagli adroni nel materiale non sono perfettamente descrivibili.

  • Difatti in uno sciame adronico troviamo:

  • 1) complicata produzione di secondari

  • 2) presenza di componente elettromagnetica per creazione di 0

    fem(E)  0.11 ln(E)

  • 3) neutrini e muoni da decadimenti deboli di , 

  • 4) processi nucleari

Oltre ai fenomeni di campionamento e raccolta segnale questi calorimetri mostrano un limite intrinsico nella risoluzione

causato dalle fluttuazioni in energia non rivelata (3)+(4).

Inoltre se c’è diversità nella risposta tra elettroni e adroni

(e/h > 1) si crea a causa di (2) una non-linearità nella risposta

ed un deterioramento della risoluzione.

I calorimetri adronici con migliore risoluzione e linearità sono quelli con

e/h = 1 (vedi ref. Wigmans) in cui /E = 44 % E(GeV) vs 80-100 %


Struttura di un general purpose experiment

Struttura di un “General purpose experiment”


Identificazione delle particelle i

L

t

=

bc

Identificazione delle particelle (I)

Tempo di volo

t per L = 1 m

Se si dispone di un rivelatore con buona risoluzione temporale e per tragitti (L) della particella abbastanza elevati ....

st = 300 ps

separazione p/K

fino ad 1 GeV/c

Start

Stop

P(GeV)

ALEPH TPC

Perdita di energia

risoluzione dE/dx  5%

Sfruttando la differenza di perdita di

Energia dE/dx per particelle cariche in un gas e utilizzando molte misure di carica > 40 (media troncata) si riescono ad ottenere buone separazioni di particella fino ad 1 GeV


Identificazione delle particelle ii

radiatore

specchio

particelle

fronte d’onda

qc

PM

1

cos qc =

bn

Identificazione delle particelle (II)

Effetto Cherenkov: le particelle cariche che avanzano in un materiale a velocità maggiore di quella della luce nel mezzo (β>1/n) producono della luce “veloce” per depolarizzazione del

materiale.

Cherenkov a soglia:

DELPHI RICH

Ring imaging e RICH: viene misuranto l’angolo di apertura

del cono


Conclusioni

Conclusioni

  • La storia e l’utilizzazione dei rivelatori di particelle è senza fine

  • la complessità e la dimensione degli esperimenti sta raggiungendo

    dei valori incredibili (frequenza degli eventi, dimensioni,numero

    di persone partecipanti all’esperimento ... ) tali da rendere importanti

    anche considerazioni di carattere sociologico!

  • Le applicazioni dei rivelatori di HEP nella vita di tutti i giorni sono

  • rilevanti particolarmente in medicina nucleare: rivelatori per PET


Bibliografia

Bibliografia

  • K. Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation,2nd edition,

    Cambridge University press 1998.

  • R.Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics, 1st edition,

    Cambridge University Press 1986.

  • W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,

  • 2nd edition, Springer 1994.

  • R.Wigman, Calorimetry: Energy measurement in particle

    physics, 1st edition, Oxford Science Publications 2000.

  • Review of Particle Physics, Phys.Rev.D 66, 2002.


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