Регистрация (детектирование) частиц Николай Зимин Н. Зимин ноябрь 2016 Школа Учителей Физики 1
«Физика – наука экспериментальная» R. Feynman Регистрация (Детектирование) – очень емкие слова Определение (извлечение) какой-либо информации об элементарной частице посредством проведений (косвенных) измерений с помощью «детекторов» частиц Детектор – тоже очень емкое слово Классификаций много по назначению – «что регистрировать» по принципу регистрации по типу конструкции по размерам, числу каналов регистрации и т. д. , т. е. счетчик Гейгера, дрейфовая трубка или сцинтиллятор и целые гигантские Комплексы (АТЛАС, CMS, DELPHI, D 0 …) это все ДЕТЕКТОРЫ Частица (элементарная) - либо предмет изучения, либо «инструмент» для изучения процессов взаимодействия или других частиц (короткоживущих и т. д. ) 2
Главная цель Физики высоких энергий изучение «фундаментальных» или «элементарных» частиц и их взаимодействий. Что для этого надо? Теория (СМ, SUSY …) или идея Фикс Ускорители (LHС, Tevatron, LEP, SPS, У-70, NICA …) Детекторы (огромные комплексы. . . ) Увлеченные квалифицированные специалисты, рабатающие в Коллаборациях 3
Современные УСКОРИТЕЛИ «Встречные пучки» Сечение s или дифференциальное сечение ds/d. W – это вероятность взаимодействия между элементарными частицами или частицами и атомами. . . «Пятно» пучка A Пример: 2 сталкивающихся пучка имеет размерность площади Единица: 1 barn (b) = 10 -24 cm 2 F 1 = N 1/t F 2 = N 2/t Rint N 1 N 2 / (A · t) = s · L Частота регистрируемых событий пропорциональна их s и Светимости, которая обеспечивается коллайдером. Просуммировав по времени работы детектора получим Число событий для данной Интегральной Светимости. Она используется для Абсолютной Нормировки, что бы сравнивать данные разных экспериментов. Luminosity L [cm-2 s-1] LHC ~ 1034 cm-2 s-1 LEP ~ 1031 cm-2 s-1 4
Характерные величины LHC 1 e. V-это очень маленькая энергия 1 e. V=1. 6· 10 -19 Дж mbee = 1 g = 5. 8· 1032 e. V/c 2 vbee= 1 m/s Ebee = 10 -3 Дж = 6. 25· 1015 e. V ELHC = 7· 1012 e. V = 7 Te. V Энергия E: e. V, Te. V Импульс p: e. V/c масса mo: e. V/c 2 Полная запасенная энергия пучков: (большая) макро Etotal = 1011 protons · 2808 bunches · 7· 1012 e. V 7· 1026 e. V 3. 58 Дж mtruck = 80 T vtruck = 300 km/h 5
«Элементарные» частицы Взаимодействия(е) Сильное g=глюоны Электромагнитное y = фотоны Слабое Z и W бозоны 6
Все известные частицы (> 200 с резонансами) могут быть сконструированны подобым образом Комбинации разных типов кварков Надо добавить «цвет» для кварков Теория: QCD (eng) или КХД (рус) 7
История открытия «элементарных» частиц Электрон-Протон-Нейтрон Первая античастица – позитрон Первые частицы другого поколения мюоны Первые составные частицы-мезоны пионы и каоны (Кварковая теория) «Зоопарк» частиц «Открытие» кварков и промежуточных бозонов u, d, s c «чармоний» очарованный b «боттомоний» красота t «топ» Векторные бозоны Z, W Школа ЦНИР-ОИЯИ-ЦЕРН 6
Сечения взаимодействия «Хорошо изученные процессы» , нет необходимости регистрировать все события… Физика LEP - большого электрон-позитронного коллайдера «Новая Физика LHC» Это мы хотим выделить и записать для дальнейшего анализа. . . 9
Замечания. . . по регистрации Мы не будем рассматривать все известные частицы. . . Сконцентрируемся только на частицах с достаточно большим временем жизни, позволяющим их зарегистрировать «Семейства» γ, e, μ, π, K, p, n Частица, что бы быть зарегистрированной, должна испытать какое-то взаимодействие с Детектором Если в результате частица не сильно меняет свои свойства, взаимодествие должно быть ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ 10
Детектор - это любой (какой-то) инструмент, что бы измерять какие-то характеристики или свойства частиц т. е. заряд, E, p, m, время жизни, спин, квантовые номера, что бы идентифицировать ее (частицу) Кожа человека – «калориметр» , детектор ультрафиолета “Старейший детектор фотонов” (воспроизведен млр-ды раз) Хорошее простраственнное разрешение Большой динамический диапазон (1: 106) + автоматическая адаптация порога Энергетическая (длина волны) дискриминация Хорошая чувствительность: 500 - 900 должны попадать в глаз каждую секунду и далее в мозг, что бы регистрировать непрерывный сигнал Хорошее быстродействие (~ 10 Hz включая обработку для восстановления изображения) 11
Магнитное поле В классической электродинамике взаимодействие заряда q с электрическим и магнитным полем описывается силой Лоренца F = q(E + v × B) Ускоряется вдоль силовой линии, вращается по окружности F, E, B, v (скорость частицы) (вектора) 12
Заряженная частица в магнитном поле 13
Взаимодействие частиц с веществом Заряженные частицы Z 2 electrons, q=-e 0 Взаимодействуя c электронами, частица теряет энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Взаимодействуя с ядрами, частица отклоняется (испытывает рассеяние). При этом могут испускаться фотоны тормозного излучения. И проявляется многократное рассеяние. В случае, когда скорость частицы в среде больше, чем скорость света, образующаяся ударная ЭМ волна проявляется как Черенковское излучение. Когда частица пересекает границу двух сред с разными показателями преломления, образуется Переходное излучение в рентгеновском диапазоне. 18
Взаимодействие частиц с веществом В зависимости от типа частицы, проходящей через вещество она тем или иным способом взаимодействует с атомами вещества (с его электронами и ядрами) Заряженные частицы: электромагнитные взаимодействия испытывают: Упругое рассеяние Многократное рассеяние Фотоны: (и от предыдущего взаимодействия) Адроны: Мюоны: теряют энергию: Ионизация и возбуждение Тормозное излучение Черенковское излучение Переходное излучение Фото-эффект, Комптоновское рассеяние, Рождение пары частиц => электрон-позитрон Неупругие ядерные процессы Даже электромпгнитное взаимодействие подавлено, MIP’s Для элетронов и фотонов Каскады (ливни): Электро-магнитные ливни Для адронов Адронные ливни 15
Взаимодействие частиц с веществом d. E/dx Ионизация g Фото-эффект E Тормозное излучение d. E/dx e+ / e - Заряженные частицы и фотоны Рождение пар 25
Взаимодействие частиц с веществом Электромагнитные ливни Ливень от электрона в коденсационной камере со свинцовым поглотителем Может инициироваться электроном или фотоном Рассмотрим только тормозное излучение и рождение пар. Упрощенная модель Предположим: X 0 ~ lpair Процесс продолжается E(t)<Ec После t = tmax доминирующие процессы иогизация, эффект Комптона и фото-эффект Поглощение энергии. 26
Взаимодействие частиц с веществом Адроны Ядерные взаимодействия Взаимодействие адронов высоких энергий с веществом происходит в основном посредством неупругих ядерных процессов. Происходит возбуждение и развал ядер Ядерные фрагменты (radioactive) + рождение вторичных частиц. множественность ln(E) pt 0. 35 Ge. V/c Начиная с энергий (>1 Ge. V) сечение слабо зависит от энергии и от типа налетающей частицы (p, p, n, K…). По аналогии с X 0 вводится адронная длина поглощения и ядерная длина взаимодействия 27
Взаимодействие частиц с веществом Адронные ливни Вовлечены разнообразные процессы. Намного более сложная картина по сравнению с электромагнитными каскадами. Адронный ливень включает 2 компоненты: адронную + Заряженные адроны p, p , K , Ядерные фрагменты …. электромагнитную Нейтральные пионы p 0 2 g электромагнитные каскады От развала ядер (энергия связи) нейтроны, нейтрино, мягкие g, мюоны Пример E = 100 Ge. V: n(p 0) 18 невидимая энергия большие флуктуации энергетическое разрешение 29
Взаимодействие частиц с веществом Мюоны участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (как e+, e-, но из-за массы ЕМ сечения (~E/m 2) сильно подавлены. М I P’s Photo-nuclear interactions Z, A Pair production Z, A 30
Трековые детекторы: а) газов. ЫЕ (ЖИДКОСТНЫЕ) б) твердотельные Калориметры: а) электромагнитные б) адронные Детекторы на LHC 2
Газовые детекторы «Соломеная» трубка Катод: Металлическая трубка диаметром R Анод: Золоченая вольфрамовая проволочка r 0 = 10 m R/r 0 = 1000 Primary ionization Total ionization Газовое усиление 3
Многопроволочная пропорциональная камера MWPC Идея разместить много проволочек: Nobel Prize 1992 Первое устройство для электронных экспериментов, позволяющее набирать высокую статистику !! Типичная геометрия 5 mm, 1 mm, 20 m Цифровое считывание : Пространственное разрешение Для d = 1 mm sx = 300 m G. Charpak, F. Sauli and J. C. Santiard 5
Газовые детекторы Считывание с катодных стрипов или падов. Определение второй координаты с помощью интерполяции индуцированного сигнала на стрипы или пады. Маленький зазор –> быстрый детектор. Метод взвешивания наведенного сигнала. 6
Газовые детекторы Анод e- начальный электрон Другие геометрии, создающие градиент Е-поля: СОВРЕМЕННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ Микромеш Микрострип parallel plate strip GEM газовый электронный усилитель hole groove 7
TPC Газовые детекторы E E 88µs 560 cm 520 cm Alice TPC HV central electrode at – 100 k. V Drift lenght 250 cm at E=400 V/cm Gas Ne-CO 2 90 -10 Space point resolution ~500 mкm dp/p 2%@1 Ge. V; 10%@10 Ge. V Events from STAR TPC at RHIC Au-Au collisions at CM energy of 130 Ge. V/n Typically ~2000 tracks/event 8
Твердотельные детекторы Полупроводниковые кристаллы Si, Ge, Ga. As, Diamond Плотность ~ 1000 раз больше, по сравнению с газовыми Энергия на создание пары электрон-дырка в 7 раз меньше, чем в Аргоне Начальный заряд ~ 10000 больше -> не нужно усиление В газовых скорость электронов и ионов различается в 1000 раз, в полупроводниковых скорость электронов и дырок ~одинакова -> короткие сигналы, быстрые детекторы. 9
Твердотельные детекторы Односторонний стриповый детектор сегментация p+ слоя на стрипы и считывание по индивидуальным каналам дает координатную информацию. Типичная толщина: 300 m (150 m - 500 m) Используется n-тип Si с сопртивлением = 2 KWcm (ND ~2. 2. 1012 cm-3) Напряжение ~ 150 V Разрешение зависит от pitch (расстояния между стрипами) Типичная геометрия 20 m– 150 m 50 mm pitch дает разрешение 14. 4 mm 10
Твердотельные детекторы Двухсторонний стриповый детектор Измерение 2 ой координаты Размещаем n+ и p+ стрипы на разных сторонах и считываем сигнал с обеих “p-stop” Problem: Electron accumulation layer n+-strips are not isolated because of an electron “p-spray” accumulation layer at the Si-Si. O 2 interface. This effect is due to the presence of positive charge in Si. O 2 layer which attracts electrons. Solution: “Break” accumulation layer “field plates” - p-strips in between the n-strips (“p-stop”) - moderate p+-implantation over all surface (“p-spray”) - “field plates” (metal over oxide) over the n+-strips and apply negative potential with respect to n+-strips to repel electrons. 11
Твердотельные детекторы Гибридный пиксельный детектор HAPS – Гибридный активный пиксельный сенсор Сегмент Si с высокой гранулярностью Solder Bump: Pb-Sn ( true 2 D, нет проблем с x-y неопределенностью) Считывающая электроника с той же геометрией (каждая ячейка – к своему каналу) соединение посредством “bump bonding” Широко используются в LHC экспериментах: ATLAS, ALICE, CMS and LHCb Flip-chip technique ATLAS <= 80. 106 пикселей 12
Твердотельные детекторы Реальные детекторные модули Опоры-поддержки Кабели считывания и управления Сложная система охлаждения 14
Калориметры Калориметрия - измерение энергии путем полного поглощения Обычно объединяется с «грубой» пространственной реконструкцией Деструктивный метод! Частицы исчезают!!! Два главных типа калориметров -> электроны и фотоны (Электромагнитный калориметр) -> протоны, нейтроны и пионы (Адронный калориметр) Два способа измерений : Гомогенные калориметры: Детектор = абсорбер (сцинтилляционные кристаллы) Используются только для электромагнитных калориметров Сэмплинг калориметры = чередующиеся Абсорбер + детектор (газовые, жидкостные, твердотельные) Много разных типов конкретной реализации в разных экспериментах 17
Калориметры Гомогенный OPAL Ecal OPAL Barrel + end-cap электромагнитный калориметр: lead glass + pre-sampler (OPAL collab. NIM A 305 (1991) 275) Принцип работы -shower детектора 10’ 500 blocks (10 x 37 cm 3, 24. 6 X 0), PM (barrel) or PT (end-cap) readout. Пространственное разрешение ~ 11 mm при 6 Ge. V pre Пример устройства. Высокая гранудярность полезна для g/p 0, e/g, e/p сепарации. Обычно газовые, теперь Si детекторы. 18
Калориметры Сэмплинговые – как электромагнитные, так и адронные калориметры • MWPC, стримерные трубки, • жидкости (TMP = tetramethylpentane, TMS = tetramethylsilane) • сцинтилляторы, файберы, • кремниевые детекторы • свинец, медь, железо, уран • жидкие инертные газы : LAr (LХe, LKr) Светосбор типа ‘Шашлык’ 19
Калориметры Пример ECAL (сэмплинг) Пример ECAL: DELPHI High Density Projection Chamber (HPC) Поперечное распределение заряда в DELPHI HPC Одиночный фотон gas Pb Наложение двух фотонов от распада p 0 Сегментированный катод + время дрейфа (‘TPC’) полная 3 D реконструкция ливня (HPC was placed behind massive RICH detector !) 20
Калориметры Пример HCAL (сэмплинг) Адронный калориметр CMS Бронза+ сцинтилляторы 2 x 18 клиньев (barrel) + 2 x 18 клиньев (endcap) ~ 15000 T абсорбера 5. 8 li at = 0. Сцинтилляторы через шифтеры считываются HPD (B = 4 T!) Разрешение !!! 21
Детекторы на LHC Характерные требования Детектор должен отработать 10 лет или больше Радиационное разрушение материалов и электроники Воздействие на всю экспериментальную зону (neutrons): NEW! Должен быть максимально быстродействующим 25 ns – время между столкновениями банчей: NEW! Должен иметь хорошую гранулярность Необходимо минимизировать эффект наложения: NEW! Должен индентифицировать очень редкие события Идентификация лептонов по отношению к огромному КХД фону, так как e/jet отношение на LHC ~ 10 -5, т. е. ~ 100 хуже, чем на Tevatron Сечение СИГНАЛА ~ 10 -14 от полного сечения: NEW! Оn-line режекция должна быть ~ 107: NEW! Хранение данных ~ 109 событий 1 Mb-ного размера в год: NEW! 23
Детекторы на LHC 24
Детекторы на LHC 39
Детекторы на LHC 40
Z->mm with 20 reconstructed vertices
Детекторы на LHC 42
Детекторы на LHC 43
Детекторы на LHC 44
Детекторы на LHC 45
Огромное спасибо за неослабевающее внимание ! Н. Зимин март 2015 Школа Учителей Физики 31
Заряженная частица в магнитном поле 14
Взаимодействие частиц с веществом Заряженные частицы Упругое (Резерфордовское) рассеяние p Налетающая заряженная частица с импульсом p эластично взаимодействует с ядром мишени Z Сечение описывается формулой Резерфорда Приближение - Не релятивистское - безспиновое Средний угол рассеяния = 0. Сечение для нулевого угла бесконечное ! Такое рассеяние не ведет к значительным потерям энергии (ядро тяжелое!) Может играть роль в детекторах с тонкими пленками и проволочками 16
Взаимодействие частиц с веществом Заряженные частицы В достаточно толстом слое вещества частица испытывает Многократное рассеяние Приближение Финальное смещение и направление – результат многих независимых случайных рассеяний Центральная предельная теорема Гауссовское распределение X 0 - радиационная длина вещества (среды) Rutherford tails q 0 Разрешение детектора деградирует p L 17
Взаимодействие частиц с веществом Заряженные частицы Потери энергии на тормозное излучение Эффект важен для e± и для ультрарелятивистских m (>1000 Ge. V) Потери энергии растут с ростом начальной энергии radiation length [g/cm 2] (divide by specific density to get X 0 in cm) Нашли частицу, прошедшую калориметр - это m 19
Взаимодействие частиц с веществом Заряженные частицы Черенковское излучение - заряженная частица в среде со скоростью, больше пороговой L·tanq Черенковский порог Предельный угол (b=1) Число испушенных фотонов на ед. длины и ед. длины волны 20
Взаимодействие частиц с веществом Заряженные частицы Переходное излучение было предсказано Гинзбургом и франком в 1946 Релятивистская теория: Г. Гарибян, ЖЭТФ 63 (1958) 1079 Часто называют Подпороговым Черенковским излучением Возникает при пересечении границы между средами с разными показателями преломления (газ – диэлектрик) диэлектрик газ Упрощенная картина Среда поляризуется. Электронная плотность смещается от равновесия Диполь, изменяется во времени излучается энергия. На одной границе: 21
Взаимодействие частиц с веществом Фотоны Фотон, что бы быть зарегестрированным, должен или родить заряженную частицу(ы), или передать ей энергию Фото-эффект: Возможен только в соседстве с третьим партнером столкновения выбиваются электроны K-оболочки. Сечение сильнно возрастает, если Eg Eshell При высоких энергиях ( 1) 22
Взаимодействие частиц с веществом Фотоны Впервые наблюдал Heinrich Hertz в 1887 JJ Tompson понял, что это “corpuscles” (electrons) in 1897 Einstein объяснил в 1905 Ввел постоянную Планка Один из краеугольных камней квантовой революции Очень широко используется в Физике и быту… Фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители Сенсоры изображений ( Фото/Вивео камеры, ТВ. . . ) Фотоэлектронная спектроскопия … 23
Взаимодействие частиц с веществом Фотоны Фотон, что бы быть зарегестрированным, должен или родить заряженную частицу(ы), или передать ей энергию Рождение пары Возможно в Кулоновском поле ядра или электрона, если Порог Сечение (в релятивистском приближении) Не зависит от энергии ! Доля переданной e+ и eэнергии не симметрична при высоких энергиях. 24
Взаимодействие частиц с веществом Адроны For Z > 6: l. I > X 0, l. I [cm] l. I X 0 28
Скачать презентацию Регистрация детектирование частиц Николай Зимин Н Зимин ноябрь
Zimine_Teach_Short.pptx