Che materia stai cercando?

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

Introduzione ai rivelatori di particelle

Calorimetri

Requisiti

• risoluzione

– • σ(E)/E

linearità della risposta

• segnale proporzionale all’energia

– assenza di saturazioni

facilità di calibrazione

risposta in tempo

– in generale usati per trigger

altri requisiti spesso importanti

– granularità

• matching con i tracciatori

– distinzione tra elettroni e fotoni/π

» 0

misura di “jets” di particelle

ermeticità (in un collider)

• misura del bilancio energetico totale

– identificazione di neutrini o particelle

– esotiche da “missing E ”

T

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 3

Introduzione ai rivelatori di particelle

Sciami Elettromagnetici

con energie superiori a

• dE E

≈10MeV l’interazione di − =

elettroni e fotoni avviene dx X

±

e 0

soprattutto per

bremsstrahlung e produzione dN 7 N

− =

di coppie dx 9 X

γ 0

l’emissione di

• 2

1 Z 183

α ρ

bremsstrahlung e la 2

4 r N ln

0 A 1 3

X A Z

produzione di coppie sono 0

descritti da X lunghezza di

0

radiazione

La combinazione di

• bremsstrahlung e produzione

di coppie genera uno sciame

di fotoni ed elettroni

il picco dello sciame “t” cresce

– x E

logaritmicamente con l’energia = = ±

max 0

t ln 0.5

lo sciame si arresta quando

– max X E

0 C

tutte le particelle hanno energia

inferiore all’energia critica E 700MeV

C ≈

E

al crescere di Z lo sciame

– +

C Z 1.2

è più lungo (in unità di

X ) perché diminuisce E 21.2MeV

0 C ≈

R X

la dimensione laterale dello

– M 0 E

sciame è definita dal raggio di C

Moliere R

M

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 4

Introduzione ai rivelatori di particelle

sciami EM

Sviluppo longitudinale dello sciame EM

• ≈ + +

t t 0.08Z 9.6

95% max

lunghezza in X che contiene il 95% dell’energia

– 0

Sviluppo laterale dello sciame EM

• e deviano a causa dello scattering multiplo

±

• fotoni emessi da elettroni che viaggiano ad

• angolo rispetto all’asse

Il 95% dell’energia è contenuto in un cilindro

– con raggio pari a 2R

M

Il 99% dell’energia è contenuto in un cilindro

– con raggio pari a 3.5R

M

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 5

Introduzione ai rivelatori di particelle

Sciami EM frazione di energia

in funzione di R M

Energia persa per unità

di superficie

(normalizzata al centro)

Profilo laterale di uno sciame di elettroni di

• 50 GeV

nucleo denso causato dal multiple scattering

– alone dovuto a fotoni che allarga lo sciame

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 6

Introduzione ai rivelatori di particelle

calorimetri EM

la lunghezza totale delle tracce e si può calcolare

±

• ⎛ ⎞

4 2 E

= + ⋅

l X l

⎝ ⎠

0 c

3 3 E c

l è il percorso medio di e con energia critica

±

• C

il segnale nel rivelatore dipende dalla lunghezza di

– traccia (dE/dx ≈ costante)

segnale proporzionale a l quindi ad E

• risposta lineare con l’energia

il segnale è dovuto a n particelle

• fluttuazioni statistiche determinano parte della

– risoluzione

fluttuazioni dello sciame, perdite longitudinali e laterali

• fluttuazioni della rivelazione (fotoelettroni)

• fluttuazioni nel materiale davanti al calorimetro

• eventuali fluttuazioni di campionamento

• ( )

σ σ

∝ → ∝

(n) n E E

( )

σ E a

=

E E

la risoluzione migliora al crescere dell’energia

– se si limitano le perdite di energia longitudinali

• profondità di un calorimetro EM tipicamente 20/30 X

• 0

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 7

Introduzione ai rivelatori di particelle

calorimetri EM

in generale la risoluzione si può scrivere come

• ( )

σ E a b

= ⊕ ⊕ c

E E

E

( )

E in GeV

a è il termine stocastico

• il limite teorico calcolato è a=0.01 GeV 1/2

– corrisponde ad una risoluzione stocastica di 1% ad 1 GeV

b dipende dal rumore ed è influente a basse energie

• c dipende da non uniformità e incertezze di calibrazione

• e determina il limite della risoluzione ad alte energie

risoluzione in posizione (o in angolo della traccia)

• importante, è l’unica misura di posizione per i

– γ

dipende dal raggio di Moliere e dalla

– segmentazione laterale α

( )

σ θ ⊕β

= E

( )

E in GeV

segmentazione dell’ordine di R permette una precisa

• M

ricostruzione della posizione

in termini angolari tipicamente 45mrad/√E

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 8

Introduzione ai rivelatori di particelle

calorimetri EM omogenei

tipicamente 40✕10 3 γ/MeV

blocco di materiale omogeneo

• in cui si sviluppa lo sciame

– e contestualmente viene generato il

– segnale

scelta essenzialmente limitata a

• cristalli inorganici scintillanti

– vetri con produzione di luce Cherenkov

– gas nobili pesanti liquefatti (Xe)

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 9

Introduzione ai rivelatori di particelle

calorimetri EM omogenei

BGO (germanato di bismuto, Bi Ge O )

• 4 4 12

cristallo molto denso con buon light yield

– 4000 non al livello di CsI o NaI che

• γ/MeV,

sono però meno densi

tempo di risposta lungo (300ns)

• si ottengono ottime risoluzioni (a≈2.5%)

Cherenkov X0 ! Index of

Density

Radiator (cm) (cm) refraction

SF2 lead glass 3.85 2.76 38 1.65

SF6 lead glass 5.2 1.7 30 1.81

SF57 lead glass 5.5 1.5 28 1.85

PbF crystal 7.8 0.93 20 1.82

2

UVT acrylic 1 40 80 1.5

Vetro al piombo

• luce Cherenkov

– veloce, circa 20ns

• light yield limitato

• emissione in UV

– ≈ 1 fotoelettrone/MeV

in genere X relativamente grande

– 0

si ingialliscono con la radiazione

– si ottiene un termine stocastico a ≈ 5%

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 10

Introduzione ai rivelatori di particelle

calorimetri EM omogenei

PbWO tungstanato di piombo

• 4

cristallo estremamente denso X = 0.89

– 0

scintillatore con light yield limitato

– ≈ 100

• γ/MeV

a 480nm, buon matching con i detectors

• APD

tempo di risposta breve ≈20ns

– relativamente facile da produrre in massa

– buona resistenza alla radiazione

– molto sensibile alla temperatura

Scelto da CMS per il calorimetro elettromagnetico

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 11

Introduzione ai rivelatori di particelle

calorimetri EM omogenei

PbWO in CMS

• 4

lettura con APD

– calorimetro all’interno del magnete per non avere

• materiale inerte davanti

campo magnetico molto intenso (4T) rende

• impossibile l’uso di photodetectors a vuoto

controllo della temperatura entro ±0.1°C

– [ ]

( )

σ 12

2.75% GeV

E 150MeV

= ⊕ ⊕ 0.5%

E E

E

( )

E in GeV

dimensioni dei cristalli 2.2×2.2×23cm (26X )

– 0

80×10 cristalli ciascuno letto da 2 APD

3

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 12

Introduzione ai rivelatori di particelle

calorimetri EM segmentati

Sampling

• strato passivo di assorbitore dove si sviluppa lo

• sciame

strato attivo di rivelatore

• struttura ripetuta fino ad ottenere la lunghezza in

• X voluta

0

vantaggi

– maggior flessibilità nella scelta di materiali e

• rivelatori

svantaggi

– energia persa nell’assorbitore

• maggiori fluttuazioni stocastiche, peggior

• risoluzione

la risoluzione dipende dal rapporto materiale

• passivo/attivo (sampling fraction)

• ( )

σ t / f

E ∝

E E

dove t è lo spessore dell’assorbitore e f il sampling

– fraction

in genere si hanno risoluzioni con contributo

• stocastico tra 10% e 15%

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 13

Introduzione ai rivelatori di particelle

calorimetri EM segmentati

Tipiche tecnologie

• piombo/scintillatore

– lettura con lastre di wave length shifter

• ai lati, o con fibre di WLS inserite

longitudinalmente (“spaghetti

calorimeter”) PMT

e,γ PMT

WLS

piombo/Lar

– argon liquido letto come camera a

• ionizzazione

a volte calorimetro EM ed adronico

– in cascata, costruiti con la stessa

tecnologia

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 14


PAGINE

28

PESO

6.81 MB

AUTORE

Atreyu

PUBBLICATO

+1 anno fa


DESCRIZIONE DISPENSA

Materiale didattico per il corso di Introduzione ai rivelatori di particelle del Prof. Roberto Carlin, all'interno del quale sono affrontati i seguenti argomenti: la calorimetria e i calorimetri; sciami elettromagnetici e calorimetri elettromagnetici; calorimetri elettromagnetici omogenei e segmentati; rivelatore preshower; calorimetri adronici e sciame adronico; calorimetri compensanti.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in fisica
SSD:
Università: Padova - Unipd
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Introduzione ai rivelatori di particelle e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Padova - Unipd o del prof Carlin Roberto.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!

Altri appunti di Introduzione ai rivelatori di particelle

Rivelatori a gas
Dispensa
Rivelatori a silicio
Dispensa
Rivelatori di particelle - Classificazione
Dispensa
Sorgenti di particelle e acceleratori
Dispensa