Μαθηµα 2 0 22-2-2011
Οι ανιχνευτές στη φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων Για να κατανοήσουµε τα δεδοµένα που καταγράφονται από διαφορετικά ανιχνευτικά συστήµατα και πως αναλύονται χρειάζεται να γνωρίζουµε : Τις βασικές αρχές ανίχνευσης σωµατιδίων Τα διάφορα είδη ανιχνευτών Τα µεγάλα ανιχνευτικά συστήµατα Τις βασικές αρχές συλλογής και καταγραφής δεδοµένων
Τι γίνεται στην αλληλεπίδραση? ΗΕP πειράµατα µελετούν αλληλεπιδράσεις σωµατιδίων Σκέδαση σωµατιδίων Αποτέλεσµα της αλληλεπίδρασης Αλλαγή της διεύθυνσης/ενέγειας/ορµής των αρχικών σωµατιδίων Παραγωγή νέων σωµατιδίων
Οι αληλεπιδράσεις σωµατιδίων συµβαίνουν κατά την σύγκρουση Ο στόχος : Τοποθέτηση ανιχνευτή γύρω από το σηµείο αλληλεπίδρασης. Μέτρηση όλων των σωµατιδίων που παράγονται
Πρέπει να ανιχνεύσουν όλα τα σωματίδια που παράγονται στην σύγκρουση Οι ανιχνευτές στο LHC Γιατί είναι τόσο μεγάλοι???
Πρέπει να ανιχνεύσουν όλα τα σωματίδια που παράγονται στην σύγκρουση Οι ανιχνευτές στο LHC Γιατί είναι τόσο μεγάλοι??? ΔΕΝ ειναι μονο δύο τα πρωτόνια που συγκρούονται αλλά πολλά συγκεντρωμένα σε δεσμίδες (bunches)
Πρέπει να ανιχνεύσουν όλα τα σωματίδια που παράγονται στην σύγκρουση Οι ανιχνευτές στο LHC Γιατί είναι τόσο μεγάλοι??? ΔΕΝ ειναι μονο δύο τα πρωτόνια που συγκρούονται αλλά πολλά συγκεντρωμένα σε δεσμίδες (bunches) Σε κάθε δέσμη κυκλοφορούν 2808 bunches με 1,15 10 11 πρωτόνια σε κάθε bunch, με μία δεσμίδα κάθε 25 ns που αντιστοιχεί σε απόσταση 7.5 m μεταξύ των δεσμίδων
Το σημείο σύγκρουσης παρατηρείται από τον ανιχνευτή Μερικά σωματίδια ξεφεύγουν ενώ πλησιάζει η επόμενη σύγκρουση. Σε κάθε σύγκρουση δύο bunches συμβαίνουν περί τις 23 συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου. Ο μέσος αριθμός σωματιδίων που παράγεται : 1500. Ο ανιχνευτής πρέπει να καταγράψει Όσο γίνεται περισσότερα. Ο ανιχνευτής πρέπει να: Καλύπτει μεγάλη περιοχή Είναι ακριβείας Είναι γρήγορος και φτηνός Κάθε πρωτόνιο έχει ενέργεια 7 TeV. Άρα κάθε bunch με 10 11 πρωτόνια μεταφέρειι 10 11 7 10 12 ev = 7 10 23 ev = 112 kj. Μακροσκοπική ενέργεια!!! Για να φτάσεις τόση κινητική ενέργεια στο ποδήλατο πρέπει να τρέξεις με ταχύτητα πάνω από 30 km/h! Υπάρχουν 10 11 πρωτόνια Σε κάθε bunch...
Ο πραγματικός ανιχνευτής ΔΕΝ πρέπει να έχει ανοίγματα και πρέπει να προσφέρει αρκετό υλικό ώστε να ανιχνευτούν. (Αλληλεπίδραση σωματιδίων με την ύλη) Το σημείο σύγκρουσης παρακολουθείται από τον περιβάλλοντα ανιχνευτή. Εδώ πολλά σωματίδια ξεφεύγουν Το σημείο σύγκρουσης περιβάλλεται Από στρώματα διαφορετικών ανιχνευτών
ΑΝΙΧΝΕΥΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Τι µετρούµε και γιατι? Στον ιδανικό ανιχνευτή ανασυνθέτουµε πλήρως την αλληλεπίδραση Συγκρίνουµε τα αποτελέσµατα µε την θεωρητική πρόβλεψη, συµπεραίνουµε για την δυναµική της αλληλεπίδρασης Ο ιδανικός ανιχνευτής µετράει Ολα τα σωµατίδια που παράγονται Την ορµή τους και την ενέτγεια Το είδος του σωµατιδίου : φορτίο, µάζα, σπιν, χρόνο διάσπασης
Κατά την Σύγκρουση δεσµών: Παράγονται σωµάτια που διασπώνται σε ελαφρύτερα και σταθερότερα. ( χρόνοι διάσπασης στις διάφορες αλληλεπιδράσεις 10-23 sec, 10-16 sec, 10-10 sec) Βαριά αδρόνια διασπώµενα αµέσως µε ισχυρές δυνάµεις Αδρόνια διασπώµενα µε ηλεκτροµαγνητικές δυνάµεις Αδρόνια διασπώµενα µε ασθενείς δυνάµεις Μπορούµε να ανιχνεύσουµε: p, µ, e, γ, K ±, K 0, π ±..Και θα ανασυγκροτήσουµε απ αυτά την αλήθεια! Πειραµατικά χρειαζόµαστε µεθόδους ανίχνευσης: γ, e, µ, p, Κ ±, π ±
Πρέπει να ανιχνεύσουµε : γ, e, µ, p, Κ ±, π ± Τι θέλουµε να µάθουµε; Ορµή Ενέργεια Φορτιο [Σε καποιες περιπτώσεις µας ενδιαφέρει να ξεχωρίσουµε π ±, p, Κ ± (ίδιας ορµής) ταυτότητα σωµατιδίου]
TASKS ΑΝΙΧΝΕΥΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ εύρεση φορτίου και ορµής των φορτισµένων σωµατιδίων. Μέτρηση της ενέργειας Προσδιορισµός της µάζας m 2 = Ε 2 - p 2 (c=1) m = p / υ γ Προσδιορισµός του σηµείου όπου διασπάστηκε το σωµατίδιο (χρόνος ηµιζωής>10-12 sec) Εύρεση της δευτερεύουσας κορυφής στην αλληλεπίδραση (secondary vertex)
Οι ποσότητες που µετρούµε Την τροχιά και τον τύπο του σωµατιδίου Την τετραδιάστατη ορµή του Την ταχύτητά του β = v/c
Μάζα Οι ποσότητες που ανακατασκευάζουµε Μετρούµε Ε και p Mετρούµε p και v Μετρούµε E και p των προιόντων διάσπασης
Το Φορτίο Το µαγνητικό πεδίο εκτος του επιπέδου Οι ποσότητες που ανακατασκευάζουµε Τον Χρόνο ηµιζωής τ απο το διάστηµα πτήσης πριν την διάσπαση length = βγτ c η πιθανότητα διάσπασης ~e -(t/τ)
Μαγνητικό πεδίο: Σωληνοειδές, Διπολικό Τοροειδές Β: 0.5-1.5 Tesla (1Tesla=10KGauss) Οµογενές Β: R=3.3 P T /B Υπολογισµός της ορµής σωµατιδίου P T : η συνιστώσα της ορµής καθετη στο Β σ(p)/p T = const * p T όσο μεγαλύτερη η ορμή, τόσο πιο ανακριβής (%) η μέτρηση
To σηµείο διάσπασης σωµατιδίου Εγκάρσια τοµή Διαµήκης τοµή κοντά στο σηµείο αλληλεπίδρασης (Ι.Ρ)
Μετρηση της Ενέργειας σωματιδίου Ηλεκτρόνια και φωτόνια σε πυκνή ύλη - EM shower Pair production (δίδυμη Bremsstahlung X 0 = radiation length = average distance a high energy electron has to travel before reducing it s energy from E 0 to E 0/ /e by photon radiation. 17
Καλοριμετρία Stopping particles Let us have a look at interaction of different particles with the same high energy (here 300 GeV) in a big block of iron: 1m electron muon The energetic electron radiates photons which convert to electron-positron pairs which again radiate photons which... This is the electromagnetic shower. The energetic muon causes mostly just the ionization... pion (or another hadron) Electrons and pions with their children are almost completely absorbed in the sufficiently large iron block. The strongly interacting pion collides with an iron nucleus, creates several new particles which interact again with iron nuclei, create some new particles... This is the hadronic shower. You can also see some muons from hadronic decays.
Καλοριμετρία ακρίβεια μέτρησης ενέργειας Όσο μεγαλύτερη η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου τόσο περισσότερα σωματίδια παράγονται στο shower τόσο περισσότερες μετρήσεις έχουμε για το shower τόσο καλύτερη μέτρηση της ενέργειας έχουμε σ(ε)/ε ~ 1/sqrt(Ε). Π.χ., σ(ε)/ε = 10% / sqrt(ε) +quad 2% Δηλαδή: αντίθετα με τη μέτρηση της ορμής, η μέτρηση της ενέργειας στον καλορίμετρο γίνεται όλο και πιο ακριβής όσο μεγαλώνει η ενέργεια του μετρούμενου σωματιδίου! σ(ε)/ε (%) Calorimtery: σ(e)/e = 10%/sqrt(E) +quad 2% Tracking: σ(p)/p = 1% * p Ε (GeV) Από κάποια ενέργεια ηλεκτρονίων και πάνω, η μέτρηση ενέργειας από τον καλορίμετρο είναι πολύ καλύτερη απο του tracker 19
ΑΝΙΧΝΕΥΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΔΕΝ µπορούν όλοι οι ανιχνευτές να µετρήσουν ΟΛΕΣ τις παραµέτρους το ίδιο καλά! Σύνθετα συστήµατα! Ανιχνευτές για µέτρηση της ενέργειας Ανιχνευτές για προσδιορισµό της ορµής Ανιχνευτές για µέτρηση χρόνου άφιξης του σωµατιδίου
Ορµή (& φορτίο) σωµατιδίων µε ανιχνευτές ιχνών σε µαγνητικό πεδίο ( π.χ.θάλαµοι µετατόπισης φορτίου) Ενέργεια µε θερµιδοµετρία (καλορίµετρα) -Ηλεκτροµαγνητικό καλορίµετρο για την απορρόφηση των ηλεκτρονίων -Αδρονικό καλορίµετρο για τα π ± Αναγνώριση της ταυτότητας σωµατιδίων µε ίδια ορµή (p,π,κ) Τι θέλουµε να µάθουµε; -Ακτινοβολία Čerenkov -Ακτινοβολία µετάπτωσης (transition radiation)
Όλα μαζί σ' έναν ανιχνευτή 22
Εγκάρσια τοµή σε έναν ανιχνευτή
Παράδειγµα ενός ανιχνευτή σε συγκρουόµενες δέσµες (Colliders)
Τυπική σειρά ανιχνευτών σε πειραµατική διάταξη
CMS Compact Muon Spectrometer 15 m 22 m
3D view Διαµήκης τοµή
ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS 22 m 44 m
Γεγονός µε παραγωγή σωµατίου Higgs που διασπάται σε 4 µιόνια
Here is the general strategy of a current detector to catch almost all particles: Magnetic field bends the tracks and helps to measure the momenta of particles. electron muon Hadronic calorimeter: offers a material for hadronic shower and measures the deposited energy. Neutrinos escape without detection hadrons Tracker: Not much material, finely segmented detectors measure precise positions of points on tracks. Electromagnetic calorimeter: offers a material for electromagnetic shower and measures the deposited energy. Muon detector: does not care about muon absorption and records muon tracks.
All the detectors are wrapped around the beam pipe and around the collision point: here are a schematic and less schematic cut through ATLAS The Tracker or Inner detector The Electromagnetic calorimeter The Hadronic calorimeter The Muon detector
Απλό παράδειγµα TRIGGER (σύστηµα σκανδαλισµού) S final = S 1 *S 2 *S 3 *S 4 µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως trigger για να ξεκινήσει ένας άλλος ανιχνευτής να καταγράφει ή να ξεκινήσει η συλλογή δεδοµένων.
FAST ELECTRONICS Οι περισσότεροι ανιχνευτές παράγουν αναλογικά ηλεκτρονικά σήµατα. Παρέχουν πληροφορίες για: -συντεταγµένες χωρικές ή -χρόνο αφιξης σωµατιδίου ή -ενέργεια ή -ταχύτητα του σωµατιδίου.) Τα σήµατα χρειάζεται να: -ενισχυθούν (amplifiers) -διαµορφωθούν (shapers) -ξεχωρίσουν από θόρυβο (discriminators) -να γίνουν ψηφιακά και να καταγραφούν
Discriminators δίνουν έναν «λογικό» παλµό αν ο αναλογικός > κατώφλι οι λογικοί παλµοί µε AND, OR, XOR gates σχηµατίζουν το trigger TDC s (Time to Digital Converter) Μετατρέπουν τη διαφορά χρόνου µεταξύ δύο λογικών παλµών σε ψηφιακό εφαρµογή: -- εύρεση ίχνους ενός φορτισµένου σωµατίου -- χρονική διάρκεια διαδροµής από έναν ανιχνευτή σε έναν άλλο (TimeOfFlight-TOF) -- εύρεση της θέσης του σωµ. στο χώρο ΑDC s (Analogue to Digital Converter) πλάτος του παλµού --πληροφορία για την ενέργεια του σωµατιδίου
ON-LINE Οι πληροφορίες από τα ADC s και TDC s αποθηκεύονται σε registers µέχρι να διαβαστεί το γεγονός από τον υπολογιστή. -ADC s και TDC s βρίσκονται σε συστήµατα NIM, CAMAC, VME, Fast Bus που επικοινωνούν µε τους computers για να διαβαστούν (Data Acquisition Systems/ Συστήµατα Συλλογής Δεδοµένων)
ΟΝ LINE Σε ένα «τυπικό» πείραµα στο LEP υπάρχουν ΠΑΝΩ από 200.000 ηλεκτρονικά κανάλια που πρέπει να διαβαστούν στον υπολογιστή για κάθε γεγονός! Στο LHC ένα πείραµα έχει ~10 8!! ηλεκτρονικά κανάλια! Ένα πείραµα πριν 20 χρόνια...200! ηλεκτρονικά κανάλια Και πριν 25 χρόνια! (Bubble chambers/θάλαµοι φυσσαλίδων)