Akceleratory i detektory cz ˛astek

Akceleratory i detektory czastek
˛
Elementy fizyki czastek
˛
elementarnych
Wykład II
• Akceleratory czastek
˛
ograniczenia, świetlność
• Detekcja czastek
˛
⇒ detektory śladowe
⇒ kalorymetry
• Detektory w dużych eksperymentach
Akceleratory
Najwieksze
˛
akceleratory
Już zbudowane
LEP
e + e−
1989-2000
SLC
e + e−
1989-1998
HERA
e± p
1992/2001 –
SPS
(pp̄)
1981-1990
-315 GeV
Tevatron
pp̄
1987/2000 –
0.9-1 TeV
RHIC
Au Au 2000 –
≤ 105 GeV
50 GeV
27 GeV (e) × 920 GeV (p)
(modernizacja)
100 GeV/u
Budowane i projektowane
LHC
pp
2007 –
7 TeV
TESLA/ILC
e + e−
2015(?) –
250-400 GeV
THERA
e± p
???
CLIC
e + e−
2020(?) –
500 × 1000 GeV
A.F.Żarnecki
1500-2500 GeV
Wykład II
1
LHC, CERN, Genewa
A.F.Żarnecki
27 km obwodu !!!
Wykład II
2
Akceleratory
Ograniczenia
Aby uzyskiwać coraz wyższe energie zderzajacych
˛
sie˛ wiazek
˛
musimy budować coraz wieksze
˛
i wieksze
˛
akceleratory...
Dlaczego !?
Co ogranicza energie uzyskiwane w akceleratorach ?
W przypadku kołowych akceleratorów protonów ⇒ pole magnetyczne
Pole magnetyczne musi rosnać
˛ wraz ze wzrostem energii wiazki,
˛
aby utrzymywać czastki
˛
wewnatrz
˛ rury akceleratora. W praktyce nie jesteśmy w stanie wytworzyć pól silniejszych
niż Bmax ∼ 8 T. Ogranicza to dostepne
˛
energie do
Emax ≈ e R · Bmax
· c
Jeśli przekroczymy Emax czastki
˛
’uciekna’˛ z akceleratora.
W przypadku protonów akcelerator liniowy musialby być wielokrotnie wiekszy
˛
niż akcelerator kołowy...
A.F.Żarnecki
Wykład II
3
Akceleratory
Ograniczenia
W przypadku akceleratorów kołowych e± : ⇒ pole przyspieszajace
˛
Elektrony kraż
˛ ace
˛ po orbicie traca˛ energie na promieniowanie hamowania.
Średnia energia tracona na jeden obieg:
∆−E ∼ E 4 /R
(!)
Energia która˛ możemy dostarczyć jest proporcjonalna do obwodu akceleratora
i średniego pola E
∆+E ∼ 2πR hEi
⇒ maksymalna dostepna
˛
energia
√
Emax ∼
R
LEP (obwód 27 km) był prawdopodobnie ostatnim akceleratorem kołowym e + e−.
Dalej bardziej opłacalne sa˛ akceleratory liniowe: Emax ∼ L hEi
A.F.Żarnecki
Wykład II
4
Projekt akceleratora
kołowego e+ e−
o energii 1000 GeV
A.F.Żarnecki
Wykład II
5
Akceleratory
Świetlność
Energia nie jest jedynym istotnym parametrem akceleratora.
W zderzeniach wiazek
˛
przeciwbieżnych niezmiernie istotna jest też świetlność L.
Świetlność określa liczbe˛ reakcji zachodzacych
˛
w jednostce czasu.
Dla procesu o przekroju czynnym σ:
dN
= L·σ
dt
Ponieważ przekroje czynne maleja˛ zazwyczaj jak E −2
(patrz przykład analizy wymiarowej)
⇒ potrzebujemy coraz wiekszych
˛
świetlności
A.F.Żarnecki
Wykład II
6
Akceleratory
Świetlność
Świetlność zależy od:
• czestości
˛
f przecieć
˛ wiazek
˛
(paczek/pulsów)
• liczby czastek
˛
w paczce n
• poprzecznych rozmiarów
wiazki:
˛
σ x , σy
Z definicji przekroju czynnego:
n1 n2
L = f·
4πσxσy
Problem zwłaszcza w akceleratorach liniowych:
po jednym “przecieciu”
˛
wiazka
˛
jest tracona
⇒ trudno uzyskać jednoczesnie duże f i duże n
⇒ konieczne jest uzyskanie bardzo małych
rozmiarów poprzecznych wiazek.
˛
LEP:
σx ≈ 300 µm
σy ≈ 8 µm
Proj. TESLA:
σx ≈ 0.5 µm
σy ≈ 5 nm (!) L ∼ 3 · 1034 cm12s
rok “roboczy”: 1y ≈ 107s
A.F.Żarnecki
L ∼ 6 · 1031 cm12s
Wykład II
⇒∼ 300 f b−1y −1
7
Detektory
Jonizacja
U podstaw działania przeważajacej
˛ wiekszo
˛
ści detektorów czastek
˛
elementarnych
leży zjawisko jonizacji:
Czastka
˛
naładowana przechodzac
˛ przez ośrodek oddziałuje Kulombowsko z elektronami
i oddaje im cześć
˛ swojej energii “wybijajac”
˛ je z atomów.
A.F.Żarnecki
Wykład II
8
Detektory
Jonizacja
Straty energii na jonizacje˛ opisuje wzór Bethe-Blocha:


2γ 2
Z
β
dE
M
eV
2m
δ
1
e
2
2


−
z
ln
−β −
= 0.307 g
2
2
dx
A
β
I
2
cm2
Przy założeniu m me
jonizacja zależy wyłacznie
˛
od β / γ
Straty minimalne dla γ ∼ 3:
A.F.Żarnecki
#
← wzór Bethe-Blocha →
Stopping power [MeV cm2/g]
m+ on Cu
m-
100
Bethe-Bloch
AndersonZiegler
10
LindhardScharff
gdzie: z - ładunek czastki,
˛
β - jej predkość
˛
I - energia jonizacji;
dla wiekszości materiałów ∼10 eV
δ - poprawka zwiazana
˛
z polaryzacja˛ ośrodka
"
Emc
Minimum
ionization
Nuclear
losses
Radiative
losses
Radiative
effects
reach 1%
Without d
1
0.001
0.01
0.1
1
10
0.1
1
10
100
1
[MeV/c]
g
dE
− dx ∼ 2M eV / cm
2
min
Wykład II
bg
100
1000
10 4
10
100
1
[GeV/c]
Muon momentum
10 5
10 6
10
100
[TeV/c]
9
Detektory
Jonizacja
Jonizacja może prowadzić do wielu różnorodnych procesów,
bed
˛ acych
˛
podstawa˛ detekcji czastek.
˛
Wykorzystywane współcześnie:
Metody “historyczne”:
• kondensacja pary
⇒ komora mgłowa Wilsona (1911)
• reakcje chemicznych
⇒ ślady w emulsji “fotograficznej” (∼1930)
(wciaż
˛ czasami używane ze wzgledu
˛
na precyzje)
˛
• wrzenie cieczy
⇒ komora pecherzykowa
˛
(1952)
• świecenie (scyntylacja)
⇒ liczniki scyntylacyjne
• przepływ pradu
˛
⇒ liczniki gazowe
⇒ detektory półprzewodnikowe
• wyładowanie elektryczne
⇒ komora iskrowa
A.F.Żarnecki
Wykład II
10
Detektory
Licznik scyntylacyjny
W niektórych substancjach (kryształach, zwiazkach
˛
organicznych) powrotowi wzbudzonego atomu do stanu podstawowego towarzyszy emisja fotonu - scyntylacja
Emitowane fotony moga˛ być rejestrowane
przez fotopowielacze, fotodiody lub inne
elementy światłoczułe.
Zalety:
tanie, szybka odpowiedź detektora (kikla ns)...
Wady:
kłopotliwy tor optyczny, brak pomiaru pozycji...
A.F.Żarnecki
Wykład II
11
Detektory
Liczniki gazowe
Wielodrutowa komora proporcjonalna:
Jony i elektrony swobodne,
powstałe w gazie w wyniku jonizacji,
dryfuja˛ w kierunku odpowiednich elektrod.
Pole elektryczne jest najsilniejsze
przy drutach anodowych.
Przy odpowiednim doborze napiecia
˛
może tam dojść do wtórnych jonizacji
i kaskadowego powielania ładunku
porzez przyspieszane elektrony
⇒ “wzmocnienie gazowe” (∼ 103 −106)
Nagroda Nobla 1992 - Georges Charpak:
“for his invention and development of particle detectors,
in particular the multiwire proportional chamber” (MWPC)
A.F.Żarnecki
Wykład II
12
Detektory
Liczniki gazowe
Nowe pomysły ⇒ Micro-Strip Gas Chamber (MSGC):
Słabym punktem komory
wielodrutowej sa...
˛ druty.
gas mixture
Ne(40%)-DME(60%)
Ze wzgledu
˛ na działajace
˛ siły
nie moga˛ być zbyt blisko siebie
⇒ ograniczona rozdzielczość
przestrzenna (≥ 1mm)
Wielodrutowe komory MWPC,
oparte na pomyśle Czarpak’a,
stosowane sa˛ coraz rzadziej.
A.F.Żarnecki
drift plane
cathode 93 mm
anode 7 mm
coating
1 mm
3 mm
thickness
0.6 mm
pitch 200 mm
0.3 mm glass
substrate
J_V_255
zamiast drutów - metalowe paski napylone na izolatorze
∼ “pół” komory wielodrutowej
Odległości miedzy
˛
paskami moga˛ być dużo mniejsze
⇒ dokładniejsze pomiary torów (∼ 100µm)
“pixle” zamiast pasków ⇒ możliwa rekonstrukcja 2-D !!!
Wykład II
13
Detektory
Komora dryfowa
Komora proporcjonalna z wydłużonym obszarem dryfu:
t=0
t = ∆t ≈ ∆/vd
← ∆ →
Znajac
˛ predkość
˛
dryfu elektronów w komorze vd
oraz opóźnienie impulsu z komory ∆t
możemy wyznaczyć pozycje˛ czastki...
˛
Typowe predkości
˛
dryfu:
vd ∼ 105 m/s = 100 µm/ns
Dokładność pomiaru czasu ∼ 1ns ⇒ dokładność pozycji ∼ 100µm
Wada: pomiar tylko w jednym wymiarze...
A.F.Żarnecki
Wykład II
14
Detektory
Komora TPC
Time Projection Chambre “komora projekcji czasowej”
Schematyczny rysunek TPC (1/4 detektora):
TPC mocowanie
kalorymetr
Pełna, trójwymiarowa (3D)
rekonstrukcja toru czastki
˛
na podstawie:
• czasu dryfu elektronów
(1 współrzedna)
˛
• miejsca rejestracji
elektronów w MSGC
(2 współrzedne)
˛
kable
kalory
200
150
izolacja zewn.
←
←
katoda centralna
MSGC
←
e− •→ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ◦
←
izolacja wewn.
E~
100
50
elektronika
0
0
50
100
150
IP (nominalny punkt oddziaływania)
A.F.Żarnecki
Wykład II
200
dodatkowe komory
250
300
oś detektora
15
Eksperyment NA49
(zderzenia cieżkich
˛
jonów)
A.F.Żarnecki
Wykład II
16
STAR
A.F.Żarnecki
Wykład II
17
Detektory
Komora TPC
32
Jednoczesny pomiar pedu
˛
(z zakrzywienia toru w polu
magnetycznym) i gestości
˛
strat
na jonizacje˛ pozwala na
˛
(cześciow
˛
a)
˛ identyfikacje˛ czastek:
dE/dx (keV/cm)
28
m
p
K
p
D
24
20
e
16
12
8
A.F.Żarnecki
0.1
Wykład II
1
Momentum (GeV/c)
10
18
Detektory
Detektory półprzewodnikowe
Sa˛ coraz powszechniej używane w fizyce czastek.
˛
Przykład konstrukcji detektora krzemowego (silicon micro-strip detector):
W wyniku jonizacji powstaja˛ swobodne elektrony i dziury.
⇒ mierzymy przepływ ładunku przez spolaryzowane w kierunku zaporowym złacze
˛
pn (diode).
˛
˛
pasków ⇒ bardzo dokładny pomiar pozycji czastki
˛
(< 10µm)
Warstwa typu p w postaci waskich
Detektory półprzewodnikowe moga˛ także wykorzystywać inne technologie,
np. układy typu CCD (powszechnie używane w kamerach cyfrowych).
A.F.Żarnecki
Wykład II
19
Pojedyńczy
segment
detektora
wierzchołka
eksperymentu
ZEUS
A.F.Żarnecki
Wykład II
20
Eksperyment D0
A.F.Żarnecki
Wykład II
21
Detektory
Detektory półprzewodnikowe
Dzieki
˛ rozwojowi technologii
możemy budować coraz tańsze
i coraz wieksze
˛
detektory:
100
1980
1981
1982
1990
1990
1991
10
Detektory półprzewodnikowe sa˛ używane
głównie do pomiaru wierzchołka oddziaływania
i wierzchołków wtórnych
⇒ identyfikacji mezonów B
(kwarku b; cτ ∼ 0.5mm)
NA1
NA11
NA14
Mark II
DELPHI
ALEPH
1
0.1
0.01
1991
1992
1993
1998
1999
2001
2006
2006
OPAL
CDF
L3
CLEO III
BABAR
CDF-II
ATLAS
CMS
1990
1995
2000
Year of operation
2005
0.001
1980
A.F.Żarnecki
1985
2010
Wykład II
22
e+e− → Zh → bb̄ qq̄
ALEPH
ALEPH
DALI_F1
zrekonstruowane dwa wtórne wierzchołki
ECM=206.7 Pch=83.0 Efl=194. Ewi=124. Eha=35.9 BEHOLD
Nch=28
EV1=0
EV2=0
EV3=0
ThT=0
5 Gev EC
5 Gev HC
Run=54698
Evt=4881
Detb= E3FFFF
00−06−14 2:32
(f −138)*SIN(q)
o
o
o
x
o
x
−
ox
o
−o
x
o
ox
oooox
o
x
−
−
o
x
−
−
o
x
−oxo
o
0.6cm
o
o
−
−
−
o o
o
ox
xx−
o−
x
o x
x −
o
o
o−
o
o
RO TPC
0.3cm
Y"
A.F.Żarnecki
−1cm
P>.50 Z0<10 D0<2
o
x
m
F.C. imp.
0
1cm
X"
Wykład II
15 GeV
q=180
x
q=0
23
Detektory
Detektory śladowe (mierzace
˛ tory czastek)
˛
pozwalaja˛ na pomiar pedu
˛
jedynie dla czastek
˛
naładowanych (!)
Aby jak najmniej zakłucać lot czastki
˛
detektory śladowe
powinny mieć jak najmniejsza˛ gestość/grubość
˛
Czastki
˛
neutralne nie oddziałuje˛ praktycznie w detektorach śladowych
⇒ pozostaja˛ “niewidoczne”
⇒ musimy mieć inna˛ metode˛ dla ich pomiaru
Aby zmierzyć energie˛ czastek
˛
neutralnych lub peków
˛
(ang. jetów) czastek
˛
(zawierajacych
˛
cz. naładowane i neutralne) budujemy
Kalorymetry
A.F.Żarnecki
Wykład II
24
Detektory
Kalorymetry
Pomiar energii w kalorymetrze polega na całkowitej absorbcji czastki
˛
padajacej
˛
i zamianie jej energii na mierzalny sygnał.
Sygnał pochodzi od kaskady czastek
˛
wtórnych,
powstajacych
˛
w oddziaływaniu czastki
˛
pierwotnej z gestym
˛
materiałem kalorymetru.
Czastki
˛
wtórne “dziela˛ sie”
˛ energia˛ czastki
˛
pierwotnej, a jonizujac
˛ o środek
prowadza˛ do powstania sygnału proporcjonalnego do poczatkowej
˛
energii.
Rodzaje kaskad (i kalorymetrów):
• elektromagnetyczne (elektronowo-fotonowe) wywoływane przez elektrony, pozytony, fotony, π ◦
• hadronowe - wywoływane przez inne, silnie oddziałujace
˛ czastki
˛
A.F.Żarnecki
Wykład II
25
Detektory
Kalorymetry elektromagnetyczne
Dla energii powyżej Ec ∼ 10 MeV:
elektrony traca˛ energie˛ prawie wyłacznie
˛
na promieniowanie hamowania
e−
fotonów ulegaja˛ konwersji na pary e+ e−
e+
g
g
e−
Wysokoenergetyczny elektron lub foton wpadajac
˛ do kalorymetru
wywołuje kaskade˛ składajac
˛ a˛ sie˛ z N ∼ E/Ec czastek
˛
Promieniowanie hamowania i kreacja par nie zmieniaja˛ energii kaskady
⇒ 100% tracone na jonizacje˛ ośrodka
⇒ możliwy jest bardzo dokładny pomiar energii.
A.F.Żarnecki
Wykład II
26
Detektory
Kalorymetry hadronowe
Oddziaływania silne hadronów z jadrami
˛
ośrodka prowadza˛ głównie do produkcji
pionów (π ±, π ◦) i kaonów (K ±, K ◦).
g
p+
p+
+
K
po
σE
50%
∼ q
E
E[GeV ]
g
p-
p+
p+
Wiekszość
˛
energii poczatkowej
˛
czastki
˛
zostaje ostatecznie zużyta na jonizacje˛
ośrodka dajac
˛ mierzony sygnał.
Jednak cześć
˛
energii “gubiona” jest na
wzbudzenia i rozbicie jader
˛
oraz neutrina
produkowane w rozpadach.
A.F.Żarnecki
Z uwagi na duże fluktuacje w rozwoju
kaskady prowadzi to do niepewności w
pomiarze energii:
Stosujac
˛ odpowiednie materiały (np.
uran) możemy “odzyskać” cześć
˛
energii traconej w procesach jadrowych
˛
i poprawić dokładność pomiaru (tzw.
kalorymetry kompensujace)
˛
Wykład II
27
Detektory
Kalorymetry jednorodne
Kalorymetry próbkujace
˛
Kaskada rozwija sie˛ wyłacznie
˛
w materiale
aktywnym (pozwalajacym
˛
na pomiar strat
energii):
Materiał aktywny (pomiar) przekładany
wartwami gestego
˛
absorbera (rozwój
kaskady):
Precyzyjny pomiar, ale kalorymetr duży
(materiały aktywne maja˛
i kosztowny
naogół niewielkie gestości)
˛
Dodatkowe fluktuacje pogarszaja˛ pomiar, ale kalorymetr jest dużo mniejszy
i tańszy
A.F.Żarnecki
Wykład II
28
Detektory
Detektory sa˛ jak ogry...
Ogry sa˛ jak cebula...
Cebula ma warstwy...
Ogry maja˛ warstwy...
Detektory maja˛ warstwy...
A.F.Żarnecki
Wykład II
29
Detektory
Struktura warstwowa
Współczesne eksperymenty fizyki wysokich energii (zwłaszcza te na wiazkach
˛
przeciwbieżnych) sa˛ naogół zbudowane z wielu różnorodnych elementów.
Ułożone jeden za drugim detektory umożliwiaja˛ optymalny pomiar
wszystkich rodzajów czastek
˛
i ich
(zwykle cześciow
˛
a)
˛ identyfikacje.
˛
Kaskady elektromagnetyczne sa˛
dużo krótsze niż hadronowe, gdyż
naogół droga radiacyjna drogi na
oddziaływanie (silne)
1X◦ 1λint
A.F.Żarnecki
Wykład II
30
,
d. sladowe
VTX
TPC
kalorymetry
e.−m.
hadronowy
det.
mionowe
+
eg
+
p-,
p...
o
n, K...
+
mn
A.F.Żarnecki
Wykład II
31
A.F.Żarnecki
Wykład II
32
A.F.Żarnecki
Wykład II
33
A.F.Żarnecki
Wykład II
34
Eksperyment
ZEUS
A.F.Żarnecki
Wykład II
35
Przypadek rozpraszania elektron-proton Ekspertment ZEUS
A.F.Żarnecki
Wykład II
36
,
Przypadek
rozpraszania
elektron-proton
det. sladowe
kal. elektromagnetyczny
kal. hadronowy
Ekspertment H1
hadrony
e
p
e
R
Z
A.F.Żarnecki
Wykład II
37