Fizyka cząstek elementarnych

Transkrypt

Tadeusz Lesiak
1
WYKŁAD V
Detektory
T.Lesiak
2
Ogólnie o detektorach cząstek
Cel: rejestracja (detekcja) wszystkich cząstek
wyprodukowanych w wysoko energetycznym
zderzeniu wiązek z akceleratora
 bardzo trudne zadanie.
Jakie cząstki mogą być rejestrowane:
naładowane: +-, K+-, p/p, e+-, +neutralne:
, 0, n/n, K0L, (/)
To tzw. cząstki stabilne; mają one wartość cτ > 500µm
i w detektorach „widać ich tory”.
Trzeba zmierzyć ich czteropęd (dla neutralnych
głównie energię), trajektorię, wierzchołek
oddziaływania, ładunek elektryczny oraz
zidentyfikować (jaka to była cząstka?).
Idealny detektor:
- mierzy czteropędy oraz identyfikuje
wszystkie rodzaje cząstek w pełnym
kącie bryłowym,
- jest tani, szybki i nie ma czasu martwego.
T.Lesiak
Cząstki są rejestrowane niemal wyłącznie
poprzez różnorodne przejawy ich oddziaływań
elektromagnetycznych z materią.
Postęp w technikach detekcji cząstek jest
bardzo silnie związany z rozwojem nowoczesnej
elektroniki.
3
Ogólnie o detektorach cząstek
T.Lesiak
4
Oddziaływania fotonów z materią
1. Efekt fotoelektryczny: ważny dla E<1MeV;
elektrony głównie z powłoki K;  ~ Z5/E3
2. Rozpraszanie Comptona:
elastyczne rozpraszanie fotonów na kwazi-swobodnych elektronach;  ~ logE/E
3. Tworzenie par e+e-:
możliwe po przekroczeniu progu E > 2 me c2;
dominuje dla E > 10 MeV; =const(E)
T.Lesiak
5
T.Lesiak
6
Oddziaływania cząstek
naładowanych z materią
Oddziaływania
elektromagnetyczne
 Jonizacja ośrodka.
 Bremsstrahlung
(promieniowanie hamowania).
 Promieniowanie Czerenkowa.
 Promieniowanie przejścia.
 Scyntylacja (luminescencja).
 Wielokrotne rozpraszanie.
Bremsstrahlung + tworzenie par e+e-  kaskada elektromagnetyczna
Oddziaływania silne – tylko hadrony
 kaskada hadronowa
 oddziaływania hadron – jądro prowadzące
do wielocząstkowych stanów końcowych.
T.Lesiak
7
Jonizacja
Cząstka przechodząc przez ośrodek, traci energię w pojedynczych aktach jonizacji
jego atomów (molekuł).
Średnie straty energii cząstki na jednostkę długości jej trajektorii (dE/dx) opisuje
wzór Bethe-Blocha:
T.Lesiak
8
Jonizacja
Główne cechy wzoru Bethe-Blocha
(z wyjątkiem formuły opisującej elektrony):
1. Obszar małych pędów:
2. Minimum jonizacji dla
(niemal) dla wszystkich cząstek i ośrodków:
3.
Obszar relatywistycznego wzrostu:
Dla szybkich cząstek poprzeczne pole elektryczne wzrasta ~γ
 większe straty jonizacyjne
T.Lesiak
9
Jonizacja
Człon kinematyczny:
<dE/dx>/ 1/2
Wzór Bethe-Blocha odnosi się do
średnich strat na jonizację;
są one opisywane (asymetrycznym)
rozkładem Landau’a:
Plateau
Fermi’ego
Obszar
minimalnej
jonizacji
MIP – minimum
ionizing particle
Trzeba zmierzyć jonizację pojedynczej cząstki naładowanej w wielu miejscach jej toru (~200),
tak aby można było wyznaczyć ‘truncated mean” strat jonizacyjnych (po obcięciu ogonów rozkładu).
Efektywna metoda identyfikacji hadronów w zakresie stosunkowo niskich pędów (do ok. 3 GeV).
Dla identyfikacji cząstki trzeba wyznaczyć jej pęd oraz straty jonizacyjne.
T.Lesiak
10
Detektory wykorzystujące jonizację
T.Lesiak
•
Detektory gazowe
•
Detektory krzemowe
11
Detektory gazowe
Detektory gazowe wykorzystują pomiar ładunku uwolnionego w procesie jonizacji
gazu, wywołanej przejściem cząstki naładowanej przez detektor.
Tworzą się pary elektron-jon.
Elektrony dryfują do katody,
jony dodatnie do anody.
Obszar proporcjonalności: przy odpowiednio dużej różnicy potencjałów, pierwotne
jony uzyskują w polu elektrycznym na tyle dużą energię, że mogą jonizować sąsiednie atomy
(jonizacja wtórna).  wzmocnienie gazowe 103 – 106.
T.Lesiak
12
Wielodrutowe komory proporcjonalne
Dawniej: komory iskrowe, streamerowe; Współcześnie: komory dryfowe i proporcjonalne.
Ich konstrukcja: G. Charpak 1968r. Nobel 1992r.: rząd drutów anodowych
wewnątrz wspólnej katody zachowuje się jak zbiór niezależnych
liczników proporcjonalnych.
MWPC – multi wire proportional chamber – wielodrutowa komora proporcjonalna.
Pozycja  ważenie sygnału z drutów
T.Lesiak
Akceleratory i detektory
Odległość płaszczyzn katodowych: (10-15) mm
Różnica potencjałów: ≈ 5 kV
Odległość między drutami anodowymi: ≈ 2 mm
Promień drutów: ≈ 10µm
Ośrodek gazowy: mieszanka argonu i izobutanu.
T.Lesiak
Przestrzenna zdolność rozdzielcza: ≈ 1mm
Precyzja pomiaru położenia jako środka
ciężkości sygnału z kilku katod: ≈100m
czas detekcji: 100 ns
Obecnie coraz rzadziej używane.
13
Komory dryfowe
Komora dryfowa to komora wielodrutowa z rozsuniętymi płaszczyznami katodowymi
Pomiar czasu dryfu w oparciu o:
znajomość drogi dryfu ( ~ 1cm),
 precyzyjny pomiar pozycji.
 Pole elektryczne jest uformowane w ten sposób,
że jest ono niemal jednorodne w prawie całym
obszarze roboczym komory; zmienia się rosnąc
gwałtownie jedynie w pobliżu drutu anodowego.
 Elektrony dryfują z niemal stałą prędkością
( ~ 50m/ns) do drutu anodowego.
 Scyntylator, umieszczony za komorą mierzy
z dokładnością ≈ns czas wyjścia cząstki z komory.
Prędkość dryfu: ≈ 105 m/s
Przestrzenna zdolność rozdzielcza: ≈ 100μm (10x lepiej niż w MWPC)
Czas detekcji: (100 – 1000) ns
T.Lesiak
14
Komory projekcji czasowej (TPC)
TPC (Time Projection Chamber)
z
 Łączy komory dryfowej i MWPC w jednym
urządzeniu.
 Daje 3D pomiar elementów toru (pozycji cząstki).
 Dodatkowo mierzy dE/dx (identyfikacja).
 Duża beczka z gazem (R~2m, h~6m).
 Pole elektryczne wzdłuż osi beczki.
 Pole magnetyczne zwykle równoległe do
elektrycznego.
 Denka beczki: komory MWPC z odczytem
anodowym i katodowym.
 Współrzędna z – czas dryfu elektronów do anody.
y
 y – numer drutu anodowego
 x – lokalizacja sygnału na paskach katodowych
 dE/dx – ładunek zebrany na drutach anodowych
w punkcie (x,y,z)
T.Lesiak
x
15
Detektory gazowe
 Przykład: TPC detektora STAR przy zderzaczu RHIC;
zderzenia Au+Au; 2000 torów na pojedyncze zdarzenie:
Zalety detektorów gazowych
 Elektroniczny odczyt.
 Wysoka wydajność: > 95%.
 Możliwość identyfikacji hadronów.
 Dość szybki sygnał (tryger).
 Ustalona i dość prosta technologia.
 Stosunkowa niska cena.
 Wiele zastosowań poza fizyką
wysokich energii.
T.Lesiak
16
Detektory krzemowe
 Paskowy detektor krzemowy (Silicon Microstrip Detector)
to właściwie dioda (złącze p-n) spolaryzowana zaporowo.
 Cząstka naładowana, przechodząc przez obszar krzemu
typu n (wysoko oporowego i zubożonego w nośniki prądu),
generuje pary elektron-dziura.
 Elektrony dryfują w kierunku anody, dziury do katody.
 Brak wzmocnienia (takiego jak w gazie).
 Do powstania pary elektron-dziura
w krzemie potrzeba 3.6 eV; gaz: 30 eV.
 Pomiar pozycji poprzez ważenie ładunku jonizacji,
zbieranego z cienkich pasków katodowych (krzem typu p).
Jednostronny detektor paskowy Single-sided silicon
microstrip detector – odczyt tylko z katod.
Bardzo dobra przestrzenna zdolność rozdzielcza: 10-20m
Krótki czas dryfu: elektrony ≈ 10 ns, dziury ≈ 25 ns (dla 300  m Si)
T.Lesiak
17
Detektory krzemowe
Dwustronny detektor paskowy
Double-sided silicon microstrip detector
Detektor mozaikowy
Silicon pixel detector
detektor eksperymentu
CMS
Paskowe:
214 m2 krzemu
11.4 milionów pasków
Mozaikowe:
Pojedynczy detektor paskowy
wraz z elektroniką
T.Lesiak
Pełny detektor krzemowy
eksperymentu ALEPH
1m2 krzemu
66 milionów pikseli
(100x150m)
18
Detektory krzemowe
Zastosowanie detektorów krzemowych:
 Dzięki b. dobrej przestrzennej zdolności rozdzielczej oraz „twardości radiacyjnej”
(odporności na napromieniowanie mogą one być umieszczone najbliżej punktu przecięcia
wiązek, dostarczają pomiaru pierwszych punktów toru cząstki i to z bardzo wysoką precyzją.
 Tym samym stanowią kluczowe narzędzie do pomiaru trajektorii cząstek naładowanych oraz
do rekonstrukcji położenia pierwotnego wierzchołka, w którym nastąpiło oddziaływanie.
 Odgrywają one także wiodącą rolę
w badaniach cząstek zawierających tzw.
„ciężkie zapachy” (kwarki b i c, lepton τ).
Czas życia tych cząstek jest rzędu 10-12s
co oznacza, iż przed rozpadem pokonują one
odległość rzędu 1 mm.
Dzięki detektorom krzemowym,
ich rozpady mogą być rekonstruowane
jako tzw. wierzchołki wtórne.
T.Lesiak
19
Promieniowanie hamowania
(bremsstrahlung)
W silnych polach elektrycznych (kulombowskich) pochodzących od
jąder atomowych ośrodka, cząstki naładowane doznają spowolniania
 zgodnie z elektrodynamiką emitują fotony (bremsstrahlung).
Dla przypomnienia: promieniowanie synchrotronowe występuje
dla cząstek poruszających się w polach magnetycznych.
W silnych polach elektrycznych straty energii na bremsstrahlung są proporcjonalne do 1/m2
 maksymalne straty dla elektronów.
Dla mionów bremsstrahlung staje się istotne dopiero dla p > 500 GeV
(dokładna wartość zależna od ośrodka).
Prawdopodobieństwo bremsstrahlung’u:
T.Lesiak
(I0 = intensywność dla x=0)
20
Promieniowanie hamowania
(bremsstrahlung)
Interpretacja drogi radiacyjnej: grubość warstwy materiału (ośrodka), po przejściu której
energia elektronu zmniejsza się o czynnik 1/e, wskutek strat energii na bremsstrahlung.
X0 można też interpretować jako skalę długości kaskady elektromagnetycznej  poniżej.
Energia krytyczna (Ec): energia cząstki
przy której straty energii na jonizację
są równe stratom na bremsstrahlung.
total
bremsstrahlung
Jonizacja
Przykład:
energia krytyczna elektronu i mionu w miedzi (Z=29)
T.Lesiak
21
Promieniowanie Czerenkowa
Promieniowanie Czerenkowa jest
emitowane wówczas gdy cząstka
naładowana wchodzi do ośrodka
dielektrycznego o współczynniku
załamania n z prędkością (βc)
większą od fazowej prędkości
światła (c/n) w tym ośrodku:
Powstaje wówczas elektromagnetyczna
fala uderzeniowa wzdłuż stożkowego
frontu o kącie rozwarcia c
Własności promieniowania Czerenowa
•
•
T.Lesiak
Widmo ciągłe, ale dominuje barwa niebieska
(liczba fotonów na jednostkę drogi ~dλ/λ2 ).
Stosunkowo słaba moc promieniowania
(straty energii rzędu 1% strat na jonizację).
22
Detektory Czerenkowa
Do identyfikacji (przypisania cząstce masy) potrzeba w tym przypadku znajomości pędu
z innych sub-detektorów (p=m ); detektor Czerenkova mierzy  () ze znajomości C.
Dwa (trzy) rodzaje detektorów Czerenkowa:
• liczniki progowe (świeci- nie świeci)
• liczniki różniczkowe tj. mierzące kąt c
- detektory typu RICH (Ring Imaging Cherenkov)
Progowe liczniki Czerenkowa
Identyfikacja progowa: emisja światła następuje jedynie gdy n > 1/
 można odpowiednio dobrać ośrodek (ośrodki) tak, aby przy zadanym pędzie i dla danego
rodzaju cząstek następowała lub nie następowała emisja promieniowania Czerenkowa.
Przykład: pęd (ustalony) = 1 GeV;  dla p:K: = 0.73:0.89:0.99 (n = 1.37:1.12:1.01).
Dwa liczniki o ośrodkach: woda (n1 =1.33) i CO2 (n2=1.05)
p –brak sygnału w obu, K – sygnał w n1;  – sygnał w n1 i n2
T.Lesiak
23
Różniczkowe liczniki Czerenkowa – detektory RICH
 Identyfikacji można dokonać w oparciu o pomiar kąta Czerenkowa.
 Fotony Czerenkowa są ogniskowane optycznie (lustra) na płaszczyznę
fotoczułą zbudowaną z fotopowielaczy (PM, photomultipilers).
 Fotony zarejestrowane w pojedynczych PM stanowią zbiór punktów
leżących na okręgu (przecięciu stożka Czerenkowa
z płaszczyzną fotoczułą).
 Kąt rozwarcia stożka (θc) ≈ promień okręgu – zależny od masy:
T.Lesiak
24
T.Lesiak
25
Promieniowanie przejścia
 Promieniowanie przejścia (transition radiation,TR)
 pojawia się ono przy przejściu cząstki przez granicę
dwóch ośrodków o różnych własnościach
dielektrycznych (a tym samym i współczynnika
załamania n) lub przy przejściu przez ośrodek
o nieciągłych zmianach tych własności.
 Efekt ten został przewidziany przez Francka
i Ginzburga w 1946r.
 Jego powstawanie wiąże się ze zmianą
konfiguracji pola elektromagnetycznego:
T.Lesiak
26
Promieniowanie przejścia
 Fotony TR mają typowo energię rzędu keV oraz są
emitowane w wąskim stożku
o kącie
rozwarcia θ≈1/γ względem kierunku lotu cząstki.
 Liczba fotonów wyemitowanych przy przejściu jednej granicy ośrodków:
 Energia emitowanych fotonów ~γ; metoda staje się efektywna dla γ≈1000
 Typowa geometria detektora TR:
wiele naprzemiennych warstw
radiatora i detektora fotonów:
 Radiatory: materiały o niskim Z,
tak aby minimalizować reabsorpcję
fotonów np. polyetylen, mylar….
 Detektory fotonów: MWPC, komory dryfowe, komory słomkowe…
 TR jest tym silniejsze im szybsza cząstka  możliwość identyfikacji.
T.Lesiak
27
Detektory czasu przelotu
 Metoda TOF (Time Of Flight) jest oparta na pomiarze czasu przelotu cząstki między
dwoma ustalonymi punktami (chwile „start” i „stop” mierzy sygnał w scyntylatorach).
 Założenie: pęd cząstki
jest znany z pomiarów
w innych detektorach.
 Różnica w czasie przelotu drogi L dla dwóch cząstek o masach m1 i m2, posiadających pęd p:
 Metoda TOF umożliwia identyfikację stosunkowo wolnych cząstek do p ≈ 1 GeV.
T.Lesiak
28
Scyntylacja
Cząstka jonizująca powoduje wzbudzenie atomów ośrodka.
W niektórych materiałach wzbudzenie dokonuje się do poziomów
leżących pomiędzy pasmami: walencyjnym i przewodnictwa.
Wzbudzone atomy przechodzą do stanów o niższej
energii najczęściej w kilku etapach, za każdym razem
emitując fotony (scintillation, luminescence) z zakresu
zbliżonego do światła widzialnego.
Fotony są zbierane przez fotopowielacze (PMT).
Scyntylatory – detektory wykorzystujące to zjawisko są
bardzo szybkie detektory – czas odpowiedzi ≈ 250 ns 
są często stosowane w trygerze (systemie wyzwalania).
Ośrodki scyntylacyjne:
•
kryształy nieorganiczne (NaJ, CsJ, BGO, CsF)
- zakres widzialny,
•
kryształy organiczne (antracen) - UV,
•
ciecze (toluen) – UV.
T.Lesiak
29
Rozpraszanie wielokrotne
 Cząstka naładowana (o ładunku z), poruszając się w danym ośrodku, traci
nie tylko część swojej energii, ale także doznaje kolejnych niewielkich
modyfikacji pędu.
 Powodem zmian pędu są elastyczne (bez modyfikacji energii),
elektromagnetyczne oddziaływania cząstki z jądrami atomowymi (o ładunku Z).
 Przekrój czynny na ten proces rozpraszania jest
opisany formułą Rutherforda (θ - kąt rozpraszania):
 Pojedyncze rozpraszanie następuje zwykle pod bardzo małym kątem.
 (Kulombowskie) rozpraszanie wielokrotne – suma wielu rozproszeń na jądrach i e- ośrodka.
 Prowadzi ono do odchylenia toru cząstki średnio o kąt θ0, zależny od prędkości cząstki i od
przebytej drogi (x):
 Rozpraszanie wielokrotne źródłem niepewności w pomiarze pędu
(z zakrzywienia polu magnetycznym).
 Niepewności te są istotne dla stosunkowo powolnych cząstek:
T.Lesiak
30
Kaskady elektromagnetyczne
 Dwa główne procesy, powielające się wzajemnie i tworzące kaskadę elektromagnetyczną:
Kreacja pary elektronpozyton w polu e.m. jądra
Bremsstrahlung
 Pierwotny elektron  promieniowanie hamowania e-  e-;
 pierwotny foton  tworzenie par   e+ e Rozwija się drzewkowa kaskada elektromagnetyczna
(electromagnetic shower), która zamiera gdy cała energia
cząstki pierwotnej zostanie zużyta na cząstki kaskady.
T.Lesiak
31
Prosty model kaskady
e.m. (toy model):
Podstawowe zjawiska fizyczne:
  e+e- oraz e-  e-
dokonują się co krok (iterację)
odpowiadający długości radiacyjnej X0
E0 – początkowa energia cząstki
W każdej iteracji liczba cząstek się podwaja, a ich średnia energia maleje o połowę.
Kaskada przestaje się rozwijać dla t=tmax, gdy energia jej cząstek spada poniżej progu
na kreację par (Eth).
Ten bardzo prosty model dobrze odtwarza główne cechy kaskady elektromagnetycznej:
Program SPOKE
T.Lesiak
32
Podłużny rozwój kaskady w zależności
od energii cząstki padającej:
Poprzeczny rozwój kaskady. Opisuje go promień
Moliere’a Rm – 95% energii kaskady jest zawarte
w cylindrze o promieniu 2 Rm
Przykład:
cząstka o energii E0 = 100 GeV
propagująca się w szkle ołowiowym.
Ec = 11.8 MeV  tmax ≈ 13, t95 ≈ 23
(długość dla której kaskada deponuje
w ośrodku 95% swojej energii)
X0 ≈ 2cm, Rm = 1.8 X0 ≈ 3.6 cm.
X0
T.Lesiak
33
Kaskady hadronowe
Kaskada hadronowa powstaje wówczas gdy padający
Podstawowy akt kaskady hadronowej
hadron oddziałuje silnie z jądrami ośrodka, produkując
wtórne cząstki – głównie naładowane i neutralne piony,
kaony i protony).
Powstałe hadrony także oddziałują silnie i są źródłem
następnej generacji kaskady.
Znaczna część energii pierwotnego hadronu (15-35)% umyka
z kaskady i nie jest mierzalna („invisible energy” tj. procesy
rozszczepiania jąder, wzbudzeń jądrowych oraz „escaped
energy” unoszona przez neutrina powstałe w kaskadzie).
Część energii (15-30)% jest zawarta w kaskadzie
elektromagnetycznej powstałej głównie wskutek rozpadów
π0  γγ („electromagnetic energy”).
Skala kaskady hadronowej - jądrowa droga interakcji I (nuclear interaction length)
– średnia odległość w ośrodku, po przebyciu której liczba padających hadronów maleje
o czynnik e (w wyniku oddziaływań silnych).
T.Lesiak
34
Porównanie kaskad:
elektromagnetycznej i hadronowej
Składowa hadronowa
Składowa elektromagnetyczna
Kaskada
elektromagnetyczna
hadronowa
Podstawowe
elementy
Bardzo proste procesy e.m.
Złożone procesy silne
z domieszką e.m.
Sposób rozwoju
regularny
Znaczne fluktuacje
T.Lesiak
35
Kalorymetry
Kalorymetry – detektory (prawie) całkowicie zatrzymujące cząstki (e+,e-,γ, hadrony) wykonujące
(niszczący) pomiar energii cząstki, poprzez rejestrację pochodzącej od niej kaskady.
Kalorymetry elektromagnetyczne – pomiar energii e+,e-,γ.
Kalorymetry hadronowe – pomiar energii naładowanych (π, K, p)
i neutralnych hadronów (π0,n).
 Energetyczna zdolność rozdzielcza kalorymetru:
 Bardzo ważne – podłużny rozmiar kalorymetru rośnie jedynie logarytmicznie
z energią cząstek.
Do zbudowania dobrego kalorymetru elektromagnetycznego trzeba typowo 25 dróg
radiacyjnych materiału w kierunku podłużnym.
 Typowa długość kalorymetru hadronowego 7-8 jądrowych dróg interakcji.
 Zdolność rozdzielcza kalorymetru hadronowego znacznie gorsza: duże fluktuacje
między składową hadronową i elektromagnetyczną.
 Rozmiar kaskad hadronowych większy  kalorymetry hadronowe – większe rozmiary.
T.Lesiak
36
Kalorymetry
Kalorymetry jednorodne – zarówno rozwój kaskady jak i procesy jej detekcji
zachodzą w tym samym ośrodku (na ogół o dużym Z).
Materiały stosowane w jednorodnych kalorymetrach e.m. : CsJ, NaJ, BGO, PWO, szkło ołowiowe.
 Kalorymetry próbkujące (typu sandwich) – składają się z naprzemiennych
warstw gęstego absorbera (ośrodka,
w którym rozwija się kaskada) oraz aktywnego materiału detekcyjnego
(w nim następuje próbkowanie kaskady – pomiar sygnału od cząstek wtórnych).
T.Lesiak
kalorymetr
elektromagn.
hadronowy
absorber
Ołów
Żelazo
Materiał
aktywny
Ciekły argon,
scyntylatory,
detektory
krzemowe
Krzemowe
fotopowielacze,
scyntylatory,
detektory
gazowe
37
Detekcja mionów
Miony nie oddziałują silnie ani nie tworzą kaskad elektromagnetycznych.
 Są one cząstkami wyjątkowo przenikliwymi i jako jedyne (poza neutrinami)
przelatują przez cały spektrometr.
 Zostawiają one sygnał w detektorach mierzących trajektorię cząstek
naładowanych oraz przechodzą niemal bez oddziaływania przez kalorymetry.
Miony są rejestrowane w specjalnych detektorach – komorach mionowych,
ustawionych za kalorymetrami.
Najczęściej są to komory drutowe przedzielone płytami z żelaza.
Komory mionowe mogą być także wstawione w kalorymetr hadronowy.
Komory mionowe
detektora CMS
T.Lesiak
38
Współczesne układy detekcyjne
Współczesny eksperyment HEP to zbiór różnych, współpracujących ze sobą sub-detektorów;
informacja o pojedynczej cząstce i całym zdarzeniu jest rekonstruowana w oparciu o sygnały
z uzupełniających się wzajemnie części aparatury.
 Ogólny podział (geometryczny): eksperymenty na stałej tarczy i na zderzaczu.
 Aparatura czuła w ograniczonym
zakresie kąta bryłowego.
 Łatwy dostęp.
 Aparatura czuła w (prawie)
pełnym kącie bryłowym
 Bardzo trudny dostęp.
 Dalej wyłącznie o eksperymentach na zderzaczach...
T.Lesiak
39
Główne założenia (ograniczenia) projektowania detektorów:
- cena jest proporcjonalna do objętości detektora,
- maksymalnie hermetyczny a jednocześnie łatwy dostęp do wszystkich części,
- jak najmniej materiału przed kalorymetrem,
- jak najwięcej materiału przed komorami mionowymi.
Koszt: 50 – 500 mln. Euro
Czas projektowania: 2-5 lat
Czas budowy: 3-10 lat
Koszt rocznej obsługi: 50-200
mln. Euro
Ilość ludzi (fizycy, technicy
i inzynierowie): 200 – 1600
Rozmiary (ex. CMS):
Długość: 20 m
Promień: 7 m
Waga: 14 000 T
Ilość kanałów elektroniki: 108
T.Lesiak
40
T.Lesiak
41
T.Lesiak
42
T.Lesiak
43
T.Lesiak
44
Garść żargonu eksperymentalnej
fizyki cząstek elementarnych
T.Lesiak
45
Event Display
T.Lesiak
46
System wyzwalania - tryger
Tryger = układ określający warunki, po spełnieniu których przypadek może być
zarejestrowany przez system zbierania danych (DAQ – Data Acquisition System)
 Tryger zapewnia: selekcję interesujących zdarzeń, osłabienie tła, redukcję ilości zapisywanych danych.
Tryger hardware’owy – oparty o szybką informacje i decyzje podejmowane
bezpośrednio przez szybkie
elementy detektorów.
Tryger elektroniczny - wykorzystuje elektroniczną informację z pewnych elementów detektora.
Tryger software’owy – program komputerowy podejmujący dla wstępnie zapisanych przypadków dalszą
dokładniejszą decyzję: odrzucić czy zapisać dalej.
 Przykład trygera (elektronicznego): eksperyment rozproszeniowy; rejestrowane są cząstki jedynie pod kątem :
Warunek akceptacji
(zapisu) przypadku
Drastyczny przykład LHC: częstość zderzeń (interaction rate): 109 zdarzeń/s (1GHz)
Eksperymenty mogą rejestrować 100 zdarzeń/s (100Hz) (rozmiar przypadku ~ 1 Mb);
( konieczna redukcja na poziomie trygera 107 (10MHz) zdarzenia naprawdę ciekawe ~1/s;
wymaganą redukcję osiąga się w trzech, czterech krokach.
T.Lesiak
47
DAQ – Data Acquisition System
T.Lesiak
48
DAQ – Data Acquisition System
T.Lesiak
49
Rekonstrukcja zdarzeń
 Raw data – wstępne dane o przypadku zapisane przez DAQ w postaci czystych,
prostych sygnałów z elektroniki odczytu
 Analiza Offline - komputerowa obróbka cyfrowych i analogowych sygnałów
z poszczególnych sub-detektorów:
Stałe kalibracyjne (calibration constants) detektorów są wykorzystywane do konwersji
sygnałów na współrzędne przestrzenne, czas, energie itp.
Konieczne są poprawki na pozycjonowanie (alignment) sub-detektorów.
Rekonstrukcja punktów przestrzennych trafienia cząstek w detektor (hits).
Rozpoznawanie obrazu torów cząstek (pattern recognition).
Dopasowanie (fit) do trajektorii toru cząstki (track fit)  pomiar pędu.
Obliczenie energii kaskad elektromagnetycznych i hadronowych.
Obliczenie dE/dx, TOF (Time of Flight), kątów Czerenkowa etc.
 Symulacje metodą Monte Carlo (MC) – oparte o generowanie liczb losowych, które
próbkują znane rozkłady; wymagają one:
- dobrego modelu podstawowych procesów fizycznych – mechanizmów produkcji,
oddziaływań i rozpadów cząstek,
- dobrego opisu geometrii detektora i rozkładu jego materiału.
 Dokładne i szczegółowe symulacje odpowiedzi detektora (uwzględniające
wydajności rekonstrukcji, poprawki na akceptancję (acceptance) itp.) mogą być
porównane z ‘prawdziwymi’ danymi i bardzo istotnie pomagać w obliczeniu wartości
wielu interesujących parametrów fizycznych.
T.Lesiak
50
„Computing” w fizyce
cząstek elementarnych
LHC
15 360 TB/yr
Videos uploaded to YouTube
15 000 TB/yr
(http://www.wired.com/2013/04/bigdata/)
T.Lesiak
51
Backup
T.Lesiak
52

Fizyka cząstek elementarnych

Transkrypt

Podobne dokumenty

Wywiad został przeprowadzony z wybitnym polskim fizykiem

Klasy jakości powietrza według normy ISO 8573.1 Obowiązująca

Stefan Pokorskito polski fizyk teoretyk, który specjalizuje się w teorii

Jednostki akceleratorów cząstek

Diagramy Feynmana dla oddziaływań elektromagnetycznych