Úvod do experimentální fyziky vysokých energií

Úvod do experimentální fyziky vysokých energií aneb z čeho se skládá hmota, jaké síly ji ovládají a jak probíhá experimentální výzkum J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR kurz na PŘF UP Olomouc Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/07.0018. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Téma 2 Interakce částic s prostředím 1. interakce nabitých částic v látce (ionizace, Čerenkovské záření, ...) 2. průchod fotonů prostředím 3. interakce vysokoenergetických částic • elektromagnetické spršky • hadronové spršky Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Průchod nabitých částic prostředím o

o

o

o

o

Ionizační ztráty:  pro těžší částice popsány Bethe-Blochovou formulí (střední dE/dx),  podobně pro elektrony (rozdíly: nerozlišitelné částice, malá hmotnost) Radiační ztráty (hrají roli až při vyšších energiích)  elektrony: vyzáření brzdného fotonu  těžší částice: vyzáření páru elektron-pozitron Čerenkovské záření:  vyzáření fotonů, je-li rychlost částice vyšší než rychlost světla v daném prostředí (umožňuje měření rychlosti) Přechodové záření:  vyzáření roentgenovských fotonů ultrarelativistickou částicí (βγ ≥ 500) na hranici dvou různých dielektrik (umožňuje např. identifikaci elektronů) Mnohonásobný rozptyl:  díky Coulombovskému rozptylu Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

3

Průchod nabitých částic prostředím

Radiační ztráty

µ

µ e+

eN

Produkce párů

N

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

4

Ionizační ztráty (1) o

Střední ionizační ztráty těžších částic popsány tzv. BetheBlochovou formulí


5


Při dané energii ale ionizační ztráty navíc fluktuují – popsáno Landauovým rozdělením


6


Průchod elektronů:  ionizační ztráty popsány formulí podobnou Bethe-Blochově  brzdné záření převládá už od mnohem nižších energiích


7

Čerenkovské záření o

Má-li nabitá částice rychlost větší než rychlost světla v daném prostředí (β > 1/n), dochází k emisi Čerenkovských fotonů

θ

o o

γ

 fotony jsou vysílány v kuželi cos(θc) = 1/(β∙n)  intenzita: d2N/(dE dx) ≈ 370 z2 sin2(θc) [eV-1 cm-1]  ultrafialová oblast Obdoba rázové vlny při překročení rychlosti zvuku Čerenkovské záření se hodí k měření rychlosti částic, známeli hybnost či energii, určíme tak hmotnost => identifikace částic Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

8

Průchod fotonů prostředím (1) o

o

Interakce fotonu s hmotným prostředím:  fotoefekt: účinný průřez σp.e. ~ Z5 Eγ–7/2  Comptonův (nekoherentní) rozptyl: σCompton ~ Z/Eγ  produkce párů: o v poli jádra (κN) o v poli elektronů (κe)  Rayleighův (koherentní) rozptyl – atom není excitován ani ionizován  absorpce jádrem: obvykle doprovázena emisí neutronu nebo jiné částice Narozdíl od nabitých částic, které při průchodu prostředím ztrácí energii, svazek fotonů ztrácí intenzitu


9

Průchod fotonů prostředím Comptonův rozptyl

Produkce párů


10

Průchod fotonů prostředím (2)


11

Elektromagnetické spršky (1) o

U elektronů i fotonů při vysokých energiích dominují radiační ztráty. V jejich důsledku dochází k tzv. elmg sprškám (kaskádám)  elektron/pozitron vyzáří brzdný foton  foton konvertuje na elektron-pozitronový pár

γ

e–

e–

e–

e–

γ

γ

e+ e+ o

e–

e+

Energie částic ve spršce postupně klesá, až místo radiačních převládnou jiné ztráty energie. Tak se sprška zastaví. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

12

Elektromagnetické spršky (2) o

Definujeme tzv. radiační délku X0 jako střední vzdálenost, na které poklesne energie elektronu/pozitronu faktorem 1/e, tj: E(x) = E(0) exp(–x/X0)  radiační délka v některých prostředích: o X0(Si) = 9.4 cm o X0(Fe) = 1.8 cm o X0(Pb) = 0.5 cm tloušťka materiálu se pak obvykle udává v jednotkách X0  obecně platí: X0 ~ 1/(ρ Z2), ρ=hustota prostředí, Z=protonové číslo


13

Hadronové spršky (1) o

o

Vysokoenergetické hadrony interagují silně s jádry materiálu prostředí, dochází tak k mnohonásobné produkci dalších částic => hadronová sprška Dvě základní složky:  elektromagnetická část: při silných interakcích vznikají mj. i částice π0, které se prakticky okamžitě rozpadají π0 → γγ. Tato část vytváří elektromagnetickou spršku.  čistě hadronová část: o kaskádní proces: produkce hadronů v silných interakcích s jádry. Energie hadronů postupně klesá, až se sprška zastaví. o ionizace pomalých nabitých hadronů o "neviditelná část": část energie se spotřebuje na rozbití jader, případně je odnesena miony a neutriny o nízkoenergetické neutrony Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

14

Hadronové spršky (2) o

K vyjádření tloušťky materiálu z hlediska hadronových spršek se používá tzv. interakční délka λint, která představuje střední volnou dráhu hadronu (z hlediska silné interakce s jádry) v daném prostředí.  interakční délka ve vybraných materiálech: o λint(Si) = 45.5 cm o λint(Fe) = 16.8 cm o λint(Pb) = 17.1 cm  interakční délka souvisí s účinným průřezem: λint = 1/(n σ)  λint >> X0, hadronové spršky jsou mnohem delší než elektromagnetické

Úvod do fyziky vysokých energií

15

Téma 3 Detektory o • • • •

•

Stručně o vybraných detektorech: trocha historie scintilátory Čerenkovské detektory dráhové detektory – plynové – polovodičové kalorimetry


16

Historické detektory o

o

o

o

Jaderné emulze  nabité částice zanechávaly ionizační stopu, velmi dobré prostorové rozlišení (řádu μm)  prohlížení pod mikroskopem Bublinové komory  přehřátá kapalina, nabitá částice při průchodu vytvářela bublinky  dobré prostorové rozlišení fotografování případů Mlžné komory  naplněné plynem s příměsí nasycených par  při průchodu nabité částice se vytvářejí nabité ionty podél dráhy, na kterých kondenzují kapičky  fotografování případů Jiskrové komory  soustava paralelních kovových desek, mezi nimi plyn (He, Ne)  každá druhá deska připojena k pulznímu zdroji VN  při průchodu částice aplikujeme puls => vznikne jiskra => fotografuje se


17

Scintilační detektory (1) o o

Nabitá částice excituje molekuly, část energie (cca 3%) se vyzáří ve formě optických fotonů Dva základní druhy:  organické: o proces na úrovni molekul o menší světelný výtěžek, horší rozlišení o velmi rychlá odezva (~ 3 ns)  anorganické: o krystaly, scintiluje celá mřížka o vysoký světelný výtěžek, dobré rozlišení o relativně pomalé


18

Scintilační detektory (2) Organické scintilátory:  

obsahují aromatický uhlovodík (polystyren, toluen) přidávají se dopanty (fluor) kvůli posunu vlnové délky

 

příklad: polystyren+PTP+POPOP (Tilecal) použití: trigger, měření doby letu, dráhové detektory (optická vlákna), sendvičový kalorimetr


19

Scintilační detektory (3) Anorganické scintilátory    

vyšší hustota, vyšší Z => hodí se nejen pro detekci nabitých částic, ale i γ citlivé na teplotu, magnetické pole příklady: NaI(Tl), CsI(Tl), BGO, PbWO4 použití: detekce γ, homogenní elmg. kalorimetry

Čtení signálu ze scintilátoru  

světelný signál odveden světlovodem, případně optickým vláknem konverze na elektrický signál: nejčastěji fotonásobič


20

Čerenkovské detektory (1) o o o

Měření rychlosti částic na základě Čerenkovského záření Obvykle mají plynovou náplň (nastavení indexu lomu n pomocí změny tlaku), případně kapaliny Druhy:  prahové: o ano-ne zařízení o potřebujeme-li oddělit více druhů částic, musíme mít více detektorů



diferenciální: o identifikují záření v daném rozsahu rychlostí βmin < β < βmax o složitější optika


21

Čerenkovské detektory (2) 

LHCb RICH 1,2

J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR Úvod do fyziky vysokých energií

RICH (Ring Imaging Cherenkov) o dva radiátory s různým indexem lomu o detekce fotonů pomocí TPC výborná separace π/K/p o

22

Čerenkovské detektory (3) Použití:   

identifikace částic ve svazcích (prahové, diferenciální) identifikace částic ve velkých detektorech (RICH v Delphi, Babar, ...) na vstřícných svazcích detekce neutrin (nepřímo přes pružný rozptyl): experimenty Kamiokande, Amanda, ...

RICH: Dva radiátory velký rozsah energií


23

Dráhové detektory o

K čemu se používají ?  určení dráhy částice ve svazku  z rekonstrukce dráhy nabité částice v magnetickém poli určíme její hybnost: p = 0.3 z B R / sinθ [GeV] o B je velikost magnetické indukce [T], R poloměr kružnice [m] o z = náboj částice (v jednotkách e), θ je úhel mezi vektory p a B o rozlišení: Δp/p ~ p

o

Druhy:  plynem plněné (seznam není úplný): o proporcionální počítače (mnoho trubek může tvořit dráhový detektor) o mnohodrátové komory (MWPC) o časově projekční komory (TPC)  polovodičové o křemíkový stripový detektor Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

24

Plynem plněné detektory o

Vlastnosti závisí na plynu a napětí:  rekombinace: není žádný signál  ionizace: úplný sběr náboje, ale žádné zesílení  proporcionalita: v plynu dochází k zesílení, ale výsledný signál je úměrný ztracené energii primární částice  omezená proporcionalita: dochází k silné fotoemisi a k sekundárním lavinám, vyžaduje pulsní HV nebo zhášení  Geiger-Mueller: masívní fotoemise, dochází k výboji.


25

Proporcionální počítače o

Vznik signálu:  nabitá částice při průchodu plynem ionizuje  elektrony driftují k anodě, díky urychlení v elektrickém poli dále vytvářejí páry iont-elektron  na anodě (drát) detekujeme zesílený elektronový signál, který je úměrný ztracené energii původní částice



lze detekovat i signál na katodě (způsobený kladnými ionty), ale anodový signál je výrazně rychlejší


26

Mnohodrátová proporcionální komora – MWPC (1) o

MWPC (MultiWire Proportional Chamber) = mnoho proporcionálních počítačů v jednom plynovém objemu (Charpak et al. 1968, Nobelova cena 1992)

katody

anodové dráty

o o

Anodové dráty fungují jako nezávislé detektory Typické rozměry:  vzdálenost katoda – anoda: 1 cm  rozteč drátů: d = 1–2 mm  tloušťka drátů: 20–50 μm Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

27

MWPC (2) o

Umožňuje určení jedné souřadnice:

ionizace primární částice

prostorové rozlišení: σx ≈ d/√12 k určení druhé souřadnice se často používá druhá komora otočená o 90˚ Nutný pečlivý výběr směsi plynů (často magie):  co nejmenší mnohonásobný rozptyl  příměsy CO2, CH4, C2H6  

o


28

Časově projekční komora – TPC (1) o o

Jedná se o 3D detektor, jakási elektronická bublinová komora Kombinace MWPC a driftové komory  podél dráhy nabité částice vznikají páry iont-elektron  elektrony driftují (díky vnějšímu konst. elektrickému poli) k boční stěně komory  detekce elektronů pomocí drátové komory (2D), třetí souřadnice (z) se určuje z doby driftu

B

y

drift

E x z

dráha nabité částice


29

TPC (2) o

Detekce elektronů – využití katodového čtení:  kladné ionty produkované v blízkosti anodového drátu můžeme detekovat díky kapacitní vazbě také na katodě  katoda: lze segmentovat na stripy (jednorozměrné čtení) či na pady (2D)

anodové dráty

Měříme souřadnici elektronové laviny podél směru anodového drátu o

Parametry TPC:  doba driftu řádově 100 μs  prostorové rozlišení závisí na mnoha parametrech (délka driftu, difuzní konstanta, primární ionizace), typicky ~ 500 μm Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

30

TPC (3) o

U všech zmíněných plynových detektorů lze měřit i velikost ionizace dE/dx => identifikace některých částic  příklad: TPC@ALEPH


31

Polovodičové detektory o o

Používané materiály: Si, Ge, GaAr, diamanty Jde vlastně o MWPC v pevných látkách, výhody:  na vytvoření páru elektron-díra potřebuji 3.6 eV (Si), v plynech 30 eV  vyšší hustota Pro srovnání – MIP částice vyprodukuje: • 100 párů elektron-díra na 1 μm Si • stejný náboj v plynu na vzdálenosti cca 1 cm  

vysoká mobilita elektronů malé rozměry, rychlý sběr signálu


32

Křemíkový stripový detektor (1) o

Princip detekce:  vytvoření přechodu p-n, zapojení v závěrném směru => oblasti bez volných nábojů  čtení signálu z kladných iontů na stripech (p-stripy implantované do křemíkové destičky n-typu, používá ATLAS SCT)


33

Křemíkový stripový či pixelový detektor (2)   o o

lze i obráceně: implantované n-stripy do křemíku typu p => čtení signálu od elektronů na stripech jsou napařené kovové elektrody

Výborné rozlišení, řádově desítky μm Problémy:  radiační odolnost  cena PIXEL detector for ATLAS, FZÚ a Tesla Sezam Rožnov p. R.


34

Kalorimetry (1) o o o

Měří energii a směr letu nabitých i neutrálních částic destruktivní metodou – primární částice je zcela pohlcena v detektoru Částice vytvářejí elmg a/nebo hadronové spršky, nakonec je energie spotřebována na ionizaci nebo excitaci materiálu detektoru Typy kalorimetrů:  homogenní (pouze elmg):  detekuje se celá sprška, tvořený krystaly  sendvičový (sampling): tvořený střídajícími se vrstvami absorbátoru a aktivního média (sběr signálu), detekujeme tedy jen část spršky => dodatečné fluktuace při sběru signálu


35

Kalorimetry (2) o o

Celkový signál je přímo úměrný energii původní částice Energetické rozlišení:

o

Prostorové rozlišení je dáno členěním (segmentací) kalorimetru Dělení kalorimetrů:  elektromagnetický (umístěn před hadronovým kalorimetrem)  hadronový

o


36

Elektromagnetické kalorimetry (1) o

o

Homogenní:  absorbátor je zároveň aktivním médiem, ze kterého je čten signál. Detekujeme tedy celou spršku  výborné energetické rozlišení (sampling člen a ≈ 1%)  horší prostorové rozlišení (horší členění)  příklady kalorimetrů: o BGO (scintilující krystal) – L3 experiment (CERN) o CsI(Tl) (scint. krystal) – BaBar experiment (SLAC) o PbWO4 (scint. krystal) – CMS experiment (CERN)  velmi drahé Sendvičové (sampling) kalorimetry:  absorbátor je obvykle olovo (Pb), neboť má vysoké Z a malou X0  aktivní médium může být scintilátor, proporcioální komory, ionizační komory, ...  trochu horší energetické rozlišení (sampling člen a ≈ 5 – 10%)  lepší prostorové rozlišení (jemnější členění buněk)


37

Elektromagnetické kalorimetry (2)  příklady sampling kalorimetrů: o o

olovo – proporcionální komory: HPC, Delphi experiment (CERN) olovo – liquid argon (LAr): experimenty H1 (DESY), ATLAS (CERN)

ATLAS elmg. LAr kalorimetr: • geometrie harmoniky (minimální mrtvé zóny) • aktivní médium: tekutý Ar (90 K), funguje jako ionizační komora o

Velikost (hloubka) elmg kalorimetru se udává v X0, typické hodnoty na velkých experimentech: 20 – 30 X0 (záleží na energii svazků)


38

Hadronové kalorimetry (1) o

Stavějí se pouze jako sendvičové  absorbátor (Fe, Cu, U)  aktivní médium (ionizační či proporcionální  komory, scintilátory, ...)

o

Hadronové spršky jsou složitější (viz. melmg vs. čistě hadronová komponenta)  poměr závisí na energii: f em ≅ 0.11 × ln( E[GeV ]) =1-(E[GeV])-k k = 0.15 - 0.20  

navíc velké fluktuace (ne-gaussovské !!) popis: faktor e/h (obecně e/h > 1), měříme e

π

=

e e/h = ef em + (1 − f em )h 1 + ( e / h − 1) f em


39


Jak tedy správně měřit energii hadronů?  postavit kompenzovaný (e/h = 1) kalorimetr  softwarové korekce: o důležité členění kalorimetru o využití rozdílné velikosti elmg a hadronové spršky, signál z jednotlivých buněk se váží různými faktory

o

Energetické rozlišení:  kvůli fluktuacím zastoupení elmg. komponenty a složení hadronové komponenty je výrazně horší než u elmg. kalorimetrů  typická hodnota sampling členu: a ≈ 50% (může být trochu lepší u kompenzovaných kalorimetrů)


40


Velikost (hloubka) kalorimetrů:  obvykle se udává v interakčních délkách λint  hadronová sprška se vyvíjí už i v elmg. kalorimetru, proto nás zajímá celková hloubka elmg+hadronového kalorimetru. Typická velikost 10 λint Umístění v experimentu: hadronový kalorimetr za elmg kalorimetrem

o

Příklady hadronových kalorimetrů:  Fe+proporcionální komory: experiment DELPHI (CERN)  U+scintilátor experiment ZEUS (DESY)  U+LAr: experiment D0 (Fermilab)  Fe+scintilátor: experiment ATLAS (CERN)  Cu+LAr: experiment ATLAS (CERN) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

41


Kalorimetr Tilecal (experiment ATLAS, CERN)  střídající se vrstvy železa a scintilátoru, šachovnicová struktura  signál ze scintilačních destiček veden optickými vlákny (WLS, tj. s vlnovým posunovačem) do fotonásobičů → konverze na elektrický signál → další zpracování  rozdělení buněk: o 3 vrstvy v R o Δη × Δφ = 0.1 × 0.1 je dáno seskupením optických vláken na příslušný fotonásobič  každá buňka čtena dvěma fotonásobiči Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

42

TILECAL


43

Nadpis snímku Text snímku.


Úvod do experimentální fyziky vysokých energií

Recommend Documents