ubrziva či i detektori u fizici elementarnih čestica

Mirko PlaninićPMF

Mirko PlaninićFizika elementarnih česticaprosinac 2006

UbrzivaUbrzivači i detektori u fizici či i detektori u fizici elementarnih česticaelementarnih čestica


Gdje možete naći ovo predavanje ?Gdje možete naći ovo predavanje ?

http://www.phy.hr/~planinic/nastava.html


ČerenkovČerenkovljeviljevi detektoridetektori

Hibridni detektori (STAR, ATLAS)Hibridni detektori (STAR, ATLAS)

SSažetakažetak

Od ubrzivača do suprasudarivačaOd ubrzivača do suprasudarivača

SadržajSadržaj

Elektromagnetski Elektromagnetski kalorimetarkalorimetar

Hadronski Hadronski kalorimetarkalorimetar

Mnogožičane Mnogožičane komorekomore Poluvodički Poluvodički detektoridetektori

Interakcija čestica s materijomInterakcija čestica s materijom


Detekcija čestica

Uvod u detekciju česticaUvod u detekciju čestica

Cilj detekcije je izmjeriti čestica u konačnom stanju u sudarima visokih energija.

Manji impulsVeći impuls


Uvod u detekciju česticaUvod u detekciju čestica Mjerenja čestica u konačnom stanju

– Stabilne čestice: Fotoni: Leptoni: Hadroni:

– Nestabilne čestice : Direktna rekonstrukcija: Primjer:

Identifikacija i djelomična rekonstrucija: Primjer:


UvodUvod Najvažniji zadaci detektora

– 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


InteraInterakcija čestica pri prolasku kcija čestica pri prolasku kroz materijukroz materiju

Pregled interakcija

Čestice stvorene u visokoenergijskim sudarima međudjeluju elektromagnetski i /ili nuklearno pri prolasku kroz materijal detektora

Ionizacija Čerenkovljevo zračenje Zakočno zračenje

Glavni procesi za nabijene čestice su:

Fotoelektrični efekt Comptonovo raspršenje Produkcija parova

Glavni procesi za fotone:

Lead (Z=82)

Lead (Z=82)

C. Fabjan, 1987

C. Fabjan, 1987

• Fotoni prodiru dublje u materiju nego nabijene čestice

• Snop fotona ne gubi energiju prolaskom kroz materiju nego

intenzitet

• Fotoni prodiru dublje u materiju nego nabijene čestice

• Snop fotona ne gubi energiju prolaskom kroz materiju nego

intenzitet


InteraInterakcija čestica s materijomkcija čestica s materijom

Ionizacija

– Bethe-Bloch jednadžba: Prosječan gubitak energije

-dE/dx jedinicama:

(MeV/cm)/(g/cm3)=(MeV cm2/g)

-dE/x za nabijene čestice: M » me

gdje je: Note:

1. Korekcije za gustoću () i ljuske (C) na visokim and niskim energijama, respektivno

2. -dE/dx za elektrone modificiran zbog kinematike i spina upadnog elektrona s elektronima iz materijala.

Minimum na približno.:

(-dE/dx relativističkih čestica: Približno minimum-ionizing particle (MIP)

PDG, 2004


Međudjelovanje s materijomMeđudjelovanje s materijom

Ionizacija Slaba ovisnost jer je: Z/A ≈ 0.5:

Scintillator: dE/dx|min ≈ 2MeV/cm Tungsten: dE/dx|min ≈ 22MeV/cm

Materijal Z A Z/A dE/dx min (MeVcm2/g)

Gustoća (g/cm3)

H2 (tekućina)

1 1.008 0.992 4.034 0.0708

He 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

CsI 0.416 1.243 4.53

NaI 0.427 1.305 3.67

– Ovisnost o materijalu

PDG, 2004



Ionizacija

– Ovisnost o masi čestice

STAR Time-Projection Chamber (TPC):

Minimum u ≈ 3 se dešava za fiksni impuls p na raznim mjestima u ovisnosti o masi čestice.

To je način identifikacije čestica na malim impulsima.

Primjer: Mp/M ≈ 10

10% Methan / 90% Argon (2mbar iznad atmosferskog tlaka)

PDG, 2004


Zakočno zračenjeZakočno zračenje

Gubitak energije elektrona zračenjem:

0X

E

dx

dE

Radijacijska duljina X0 je debljina medija koja reducirasrednju energiju snopa elektrona za faktor e.

Kritična energija Ec je energija kod koje je gubitak energijena zračenje jednak gubitku energije na ionizaciju.

MeVZ

Ec

600



Bremsstrahlung... Zakočno zračenje

– Zračenje realnih fotona u Coulonovom polju jezgre apsorbera: Srednji gubitak energije zračenjem

Efekt igra ulogu za e+/- i ultra-relativističke mione (> 1 TeV) ((m/me)2 ≈ 4·104)

Kritična energija: Ec

Ec

Cu (Z=29)

PDG, 2004

C. Fabjan, 1987


ČerenkovljevČerenkovljevo zračenjeo zračenje

Čerenkovljev efekt nastaje kad se nabijena čestica kreće brzinom većom od c/n (brzinom svjetlosti u tom mediju) gdje je

c brzina svjetlosti u vakuumu n index loma u tom sredstvu

Emitira se “udarni val” fotona


Čerenkovljevi detektoriČerenkovljevi detektori

Svojstva čerenkovljevih detektora

Mjerenjem kuta mjerimo brzinu Dominira plava svjetlost

nct

nct

1/

cos

Broj fotona ~2

1

λ-valna duljina Primjena čerenkovljevih

detektora Detektori praga (razdvajanje

čestica istog impulsa a različitih masa)

Identifikacija čestica (RICHSTAR)


InteraInterakcija fotona s materijomkcija fotona s materijom

– Fotoelektrični efekt

Comptonovo raspršenje

Atomski Compton udarni-presjek:

Pretpostavka elektroni su kvazi-slobodni i E » mec2

:

PDG, 2004


InteraInterakcija fotona s materijomkcija fotona s materijom

– Proizvodnja parova

– Apsorpcijski koeficijentUkupna vjerojatnost međudjelovanja fotona s materijom:

Vjerojatnost po jedinici duljine ili ukupni apsorpcijski koeficijent (inverz od apsorpcijske duljine ):

X0 (Pb) = 6.4 g/cm2

PDG, 2004


Interakcija s materijomInterakcija s materijom

Usporedba nuklearne interakcijske duljine (u cm) s radijacijskom duljinom (u cm)

Materijal Z A Z/A X0 (cm)

I (cm)

Gustoća (g/cm3)

H2 (tek.) 1 1.008

0.992

866 718 0.0708

He 2 4.002

0.500

756 520 0.125

C 6 12.01

0.500

18.8 38.1 2.27

Al 13

26.98

0.482

8.9 39.4 2.70

Cu 29

63.55

0.456

1.43 15.1 8.96

Pb 82

207.2

0.396

0.56 17.1 11.4

W 74

183.8

0.403

0.35 9.58 19.3

U 92

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

CsI 0.416

1.85 36.9 4.53

NaI 0.427

2.59 41.1 3.67

I

X0

X0,

0 [

cm]

Z


Detekcija čestica

UvodUvod u detekciju česticau detekciju čestica

Scintilatorima


KalorimetriKalorimetri

Energija i pozicija čestica se može mjeriti metodamatotalne apsorpcije :Ulazna čestica interagira u detektoru velike mase, stvarajući sekundarne čestice ...pljusak.Gotovo sva početna energija čestice se pojavljuje ilikao ionizacija ili kao pobuđenje medija ”kalorimetar”Nužni su za određivanje energije neutralnih hadrona.Energijska rezolucija ~ dobra na vis. Energ.Kalorimetri daju brzu (100 ns) inf. o ukupnoj energiji

2

1

E


Elektromagnetski kalorimetarElektromagnetski kalorimetar

Zakočno zračenje i proizvodnja parova stvaraju u kaskadi elektromagnetski pljusak

Pretpostavimo da : E0 – energija primarnog elektrona X0 - radijacijska dužina Elektron nakon prolaska kroz X0

emitira foton energije

Pri prolasku kroz jos jednu X0 foton se pretvori u e-e+ par (svaki od njih ima ene. )

Nakon t radijacijskih duljina imat ćemo čestica (fotona,elektrona,pozitrona)

20E

40E

•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:

tN 2

tEtE 2/)( 0

cEtE )(

2ln

)/ln( 0max

cEEtt

cE

EtN 0

maxmax ]2lnexp[

•Suma duljina tragova u cijelom pljusku(u radijacijskim duljinama) je:

cE

EL 0



ZADATAKEksperiment s protonskim raspadom se može izvesti upotrebom velikog spremnikaza vodu kubičnog oblika kao izvora protona, a mogući mod raspada se treba detektirati Čerenkovljevim svjetlom emitiranim kada elektromagnetskipljuskovi 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 ukupnibroj 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 % ?

0 ep

MeVEc 92

X0=36.1 cm

OH 2

Uzmite da se Čerenkovljevim zračenjem u vidljivom djelu spektra emitira 200 fotona cm-1

Rezolucija se odredjuje fluktuacijom ( ) broja čestica u maksimumu (N) gdje je N~E

N



Elektroni i pozitroni velike energijezakočno zračenje+ produkcija parovapljusak


Hadronski kalorimetarHadronski kalorimetar

Hadronski pljusak : ulazni hadron neelastični sudar proizvodnja sekundarnog hadrona …

Skala longitudinalnog razvoja ovisi o nukl. aps. duljini λ(80 gcm-2 (C) , 130 gcm-2 (Fe), 210 gcm-2 (Pb)λ je velik u odnosu na X0 Hacal su veliki u odnosu na EcalŽeljezo-scintilator longitud.~2m, transverz.~0.5 mU hadronskoj kaskadi 30 % energije se gubi (razbijanje jezgre,nuklearna pobudjenja, evaporacija neutrona) upotreba 238U za kaskadni medij


MnogoMnogožičane komorežičane komore

_Katodna ravnina__________________________MWC anodne žice _Katodna ravnina___________________________

Ulazna čestica

2mm

Svaka žica djeluje kao nezavisni proporcionalni brojačKatode su na neg. pot. (2kV) dok su anode uzemljeneSignal na žici koja okida je negativan i velikSignal na susjednim žicama je mali i pozitivanProstorna rezolucija ~ 1 mmRazlučivanje više hitaca


Ostale ionizacijske komoreOstale ionizacijske komore

Prostorna informacija iz mjerenja vremena pomaka (drifta) elektrona u ionizacijskom dogadjaju

Driftne (vlačne) komore

+HV2

Anodnažica

Scintilacijski brojač

-HV1Nabijenačestica

Drift područje


Ostale ionizacijske komoreOstale ionizacijske komore

3D tračni detektorKombinacija vlačne i mnogožičane komore

Komore vremenske projekcije (time projection chamber)

MWC

Mag. poljeEl. polje

elektroni


PoluvodiPoluvodički detektorički detektori

Analogni plinskim ionizacijskim detektorima:Čestica u prolazu stvara parove elektron-šupljina (elektron-ion)Umjesto plina medij je poluvodički (čvrsti) materijal

Negativan napon na p-stranu,pozitivan napon na n-stranuVeći napon = više aktivnog medija+ bolje skupljanje nabojaPrevisok napon poluvodič postaje vodič


PoluvodiPoluvodički detektorički detektori (usporedba s ionizacijskim (usporedba s ionizacijskim

detektorima)detektorima)

E elektron – šupljina<E elektron-ion Bolja energijska rezolucijaBolja moć zaustavljanja od plinskih detektora (veća gustoća) Male dimenzije (<50 μm)dobra poz. RezolucijaVeća osjetljivost na zračenje (kraći vijek trajanja)Detektori male površine (cm2) (svaka trakapojačalo)Više materijalainterakcija čestica koje detektiramoDetektori trebaju ponekad hlađenje radi smanjivanja šuma


HHibridniibridni detektoridetektori

Eksperimenti u FEČ Istovremena detekcija više česticaRedoslijed detekcije čestica ilustriran je na slici:


Transverse slice through CMS detectorClick on a particle type to visualise that particle in CMS

Press “escape” to exit


STAR experimentSTAR experiment


Ubrzivači i otkrića novih česticaUbrzivači i otkrića novih čestica Najvažnija otkrića novih čestica nakon primjene ubrzivača


Za vidjeti najmanje čestice:potrebne su najveće energije!

E = mc2


E = mcE = mc22


UUranjanje u subatomski svijetranjanje u subatomski svijet Da bismo “elektronskim mikroskopom” postigli rezoluciju

treba elektrone ubrzati na energiju fmmx 110 15 GeVx

cE 1


Možemo li koristiti kozmičke zrake ?Možemo li koristiti kozmičke zrake ?


Van de Grafov ubrzivaVan de Grafov ubrzivačč

Što je ograničavajući faktor?


Princip rada linearnog ubrzivačaPrincip rada linearnog ubrzivača

SIMULACIJA


Linearni ubrzivaLinearni ubrzivačč

a) lin. ubrz. za Cs-137, f=10MHz, V0=100kV, Ti=1MeV

b) električno polje u t=0(ubacivanje iona)

c) električno polje u t=1/2f(f je RF frekvencija)


Kružni ubrzivač (ciklotron)Kružni ubrzivač (ciklotron)

eB

mvR

eB

mvR


Ostali kružni ubrzivačiOstali kružni ubrzivači

Sinkrociklotron –prethodnik sinkrotronamag. polje konstantnorf frekvencija se mijenja da bi se održala sinkronizacija u relativističkom režimu

Sinkrotronmagnetsko polje i rf frekvencija se mijenjaju da bi se čestice održale na stalnom polumjeru


BetatronBetatron

Zasnovan na principu mag. Indukcije.Podesan za elektrone.Konstruiran 1941 (D.W. Kerst).Uzima se takva promjena toka da omjer v i B u relaciji bude stalan.

eB

mvr


Ograničavajući faktori kružnih Ograničavajući faktori kružnih ubrzivačaubrzivača

1) Gubitak energije zračenjem:R

e

R

E

3

4

2

422

m

E 1

c

v

Luminoznost:

3) Raspoloživa energija:

2) Istraživanja na malim dimenzijama mali udarni presjek

L=broj čestica u jed. vrem./jedinica površine

Vjerojatnost događaja=udarni presjek * luminoznost

~)( 2ba pps bamE

24E

Za fiksiranu metuZa sudarivač EEE ba


UbrUbrzavanje zavanje ččesticaestica

televizija je ubrzivac čestica u malom!


SudarivačiSudarivači

LABORATORIJ Kratica Ime dužina (opseg) km

Energija snopa

vrsta čestica

Luminozitet

Stanford Linear Accelerator Center

SLAC SLC 3.2 50 GeV

e+ e-1034cm-2s-1

Fermi National Accelerator Lab.

FNAL TEVATRON 6.3 1000 GeV

p,5.2 x 1032cm-2s-1

Centre Europeene pour la Recherche Nucleare

CERN LEP

LHC

27 7000 GeV

p, Pb1034cm-2s-1

Deutches Eektronen –Synchrotron

DESY HERA 6.3 e 26 GeV

p 820 GeV4.3 x 1030cm-2s-1

Tsukuba-Tokio KEK TRISTAN 3 e- e+

30 GeV1033cm-2s-1

Brookhaven National Lab.

BNL RHIC 3.8 0.5

p, Au, D, CAu Au 1026cm-2s-1

p p 1031cm-2s-1

p


UbrzivačiUbrzivači

M. Tigner, Physics Today, January 2001


LEP and LHC at CERN, Geneva

– LEP: Centre-of-mass energy (e+e-) up to 205GeV

– LHC: Centre-of-mass energy (pp): 14000GeV = 14TeV

– Circuference: 27km

LEP, LHCLEP, LHC


World’s Highest Energy proton-anti-proton collider - Tevatron

– Centre-of-Mass Energy: Ecm=1.96 TeV

– Circumference: 6.85km Chicago

Tevatron p

p CDFDØ

TevatronTevatron

Chicago


Ee = 27.5 GeV Ep = 920 GeV

Equivalent to fixed target of Ee = 50600 GeV:

HERAHERA Collider experiment: Electron-Proton collisions at HERA (DESY, Hamburg, Germany)

Circumference: 6.3km


RRHICHIC

New New York York CityCity

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) Brookhaven National Laboratory Brookhaven National Laboratory (BNL)(BNL) Long Island , NYLong Island , NY


Energija snopa: 100 GeV

Luminoznost: 5 • 1029 s-1 cm-2

Integrirana luminoznost: 0.3pb-1

Bunch crossing time: 213ns

Polarizacija: 0.2 (transverse)

RHIC performanse u FY02: RHIC performanse u FY03:

Energija snopa: 100 GeV

Luminoznost: 2 • 1030 s-1 cm-2

Integrirana luminoznost: 0.5 pb-1 (transferzalna)

0.4 pb-1 (longitudinalna)

Bunch crossing time: 213ns

Polarizacija: 0.3 (transferzalna i longitudinalna)

AGS

LINAC BOOSTERPol. Proton Source500 mA, 300 ms

Spin RotatorsPartial Siberian Snake

Siberian Snakes

200 MeV PolarimeterAGS Internal Polarimeter

Rf Dipoles

Absolute Polarimeter (H jet)

2 1011 Pol. Protons / Bunch = 20 mm mrad

PHENIX

PHOBOS BRAHMS & PP2PP

STAR

Siberian Snakes

FY02 devices

FY03 and beyond

RHIC pC Polarimeter

FY03 devices

AGS pC Polarimeter

Lmax = 2 x 1032 cm-2s-1

70% Beam Polarization

50 < √s < 500 GeV

RHIC-spin


Standardni modelStandardni model

Gravitacija

Elektomagnetska

SlabaJaka


ZaZašto CMS i LHC što CMS i LHC ?? Standardni Model odgovara na mnoga pitanja o strukturi i stabilnosti

materije sa svojih 6 vrsta kvarkova, 6 leptona i 4 sile 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?


HiggsHiggsov mehanizamov mehanizam1

2

Zamislite da je dvorana, puna fizičarakoji časkaju, kao prostor ispunjen Higgsovim poljem...

Jako poznati znanstvenik ulazi iznenada u dvoranu privlačeći skup (cluster) obožavatelja svakim svojim korakom


HiggsHiggs3

4

5

...to povečava njegov otpor prema gibanjutj. dobiva masu kao i čestica koja se giba krozHiggsovo polje...

Ako vijest prijeđe u susjednu dvoranu ...

...stvara opet cluster (skup) znanstvenikaali ovaj puta izmedju njih samih ...U toj analogiji clusteri su Higgsove čestice.

ubrziva či i detektori u fizici elementarnih čestica

Documents