Επταχθντές - Ανιχνευτές Δ. Σαμψωνίδης & Κ.Κορδάς Ανιχνευτές : Μάθημα 1β Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με την ύλη. Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Επιταχυντές & Ανιχνευτές 8ου εξαμήνου, Α.Π.Θ, 7 Απριλίου 2016
Τι θα συζητήσουμε Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας/σωματιδίων με την ύλη Μέτρηση ορμής και ενέργειας σωματιδίων Ταυτοποίηση σωματιδίων 2
Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων Πολύπλοκα πειράματα Συνέργεια πολλών: Δέσμες σωματιδίων Επιταχυντές δεσμών Σωματιδίων Ανιχνευτές Ηλεκτρονικά Ανιχνευτική Διάταξη Υπολογιστές Συλλογή Δεδομένων Πειράματα στο CERN: πειράματα στο LEP: Ανάλυση Δεδομένων > 300 άτομα πειράματα στο LHC: > 2000 άτομα (φυσικοί, μηχανικοί, τεχνικοί) Φυσική - Νέα Γνώση 3
Για να μάθουμε κάτι από τις συγκρούσεις που παρέχει ο επιταχυντής, Χρειαζόμαστε Ανιχνευτές Σκοπός: - Να μετρήσουμε την ενέργεια και την ορμή των σωματιδίων που παράγονται στις συγκρούσεις - Να ταυτοποιήσουμε το είδος των σωματιδίων Αλλα πώς; 4
1. Αλληλεπίδραση σωματιδίων με την ύλη: de/dx κλπ 5
Για να υπολογίσουμε την απώλεια ενέργειας ανά μονάδα απόστασης (de/dx, σε MeV/cm), πρέπει να πολλαπλασιάσουμε το 1/ρ de/dx (σε MeV cm2/g) με την πυκνότητα ρ του υλικού. 1/ρ de/dx Φορτισμένο σωματιδίο χάνει ένεργεια διαπερνώντας την ύλη: specific Energy Loss (1/ρ de/dx) βγ Ένα σωματίδιο διασχίζει ένα υλικό με πυκνότητα ρ. Ανάλογα με την ορμή του, το σωματίδιο χάνει ενέργεια και με διαφορετικό μηχανισμό. Π.χ., στην περιοχή βγ=[0.1 1000] (περιοχή Bethe-Bloch) έχουμε απώλειες με ιονισμό του υλικού. Από εκεί και πάνω, η απώλεια ενέργειας είναι κυρίως λόγω εκπομπής φωτονίων (δηλ., με radiation = Bremsstahlung) 6
Απώλεια ενέργειας με ιονισμό και διέγερση του υλικού (Bethe-Bloch) Bethe Bloch Formula Z1e = φορτίο προσπίπτοντος σωματιδίου β=η ταχύτητά του ρ,ζ,α = πυκνότητα κλπ του ανιχνευτή Π.χ., Φορτισμένα σωματίδια (από κοσμική ακτινοβολία) διαπερνούν υλικό πυκνότητας ρ. Η απώλεια ενέργειάς του είναι μεγαλύτερη, όσο περισσότερο φορτίο έχει το σωματίδιο: de/dx ~ Z12 7
Απώλεια ενέργειας με ιονισμό και διέγερση του υλικού (Bethe-Bloch) Bethe Bloch Formula Z1e = φορτίο προσπίπτοντος σωματιδίου β=η ταχύτητά του ρ,ζ,α = πυκνότητα κλπ. του ανιχνευτή first decreases as 1/ 2 increases with ln for =1 is independent of M (M>>me) is proportional to Z12 of the incoming particle. is independent of the material (Z/A const) shows a plateau at large (>>100) de/dx 1-2 * ρ [g/cm3] MeV/cm 1/ρ de/dx The specific Energy Loss 1/ρ de/dx βγ=p/mc Προσεγγιστικά: 8
π.χ. Μιόνιο διαπερνά σίδερο - απώλεια ενέργειας (Energy Loss) Bethe Bloch Formula, a few Numbers: a minimum ionizing particle (MIP) Παράδειγμα : Σίδερο: πάχος = 100 cm; ρ = 7.87 g/cm3 de 1.4 * 100* 7.87 = 1102 MeV 1/ Σημειώστε ότι για Z 0.5 A: 1/ de/dx 1.4 MeV cm 2/g, όταν βγ 3 (minimum ionizing) A 1.15 GeV Muon can traverse 1m of Iron! Για να υπολογίσουμε την απώλεια ενέργειας ανά μονάδα απόστασης (de/dx, σε MeV/cm), πρέπει να πολλαπλασιάσουμε το 1/ρ de/dx (σε MeV cm2/g) με την πυκνότητα ρ του υλικού. 9
Particle identification from energy loss Energy loss depends on the particle velocity and is independent of the particle s mass M. The energy loss as a function of particle momentum P= Mcβγ IS however depending on the particle s mass By measuring the particle momentum (deflection in the magnetic field) and measurement of the energy loss one can measure the particle mass Particle Identification! 10
Particle identification from energy loss Measure momentum by curvature of the particle track. Find de/dx by measuring the deposited charge along the track. Particle Identification ( particle ID ) 11
Σωμάτια σταματούν απόσταση(range) Particle of mass M and kinetic Energy E0 enters matter and looses energy until it comes to rest at distance R (=range of particle). 12
Σωμάτια σταματούν απόσταση(range) Particle of mass M and kinetic Energy E0 enters matter and looses energy until it comes to rest at distance R (=range of particle). Bragg Peak: For >3 the energy loss is constant (Fermi Plateau) As the energy of the particle falls, below =3, the energy loss rises as 1/ 2 Towards the end of the track the energy loss is largest Cancer Therapy 13
Χωρική κατανομή εναπόθεσης της ενέργειας Average Range: Towards the end of the track the energy loss is largest Bragg Peak Cancer Therapy Photons 25MeV Carbon Ions 330MeV Relative Dose (%) Εναπόθεση της ενέργειας της ακτινοβολίας/σωματιδίων με ακρίβεια στην παθογενή περιοχή Cobalt 60 γ γ (~1 MeV each) Electrons 21 MeV Depth of Water (cm) 14
Ηλεκτρόνια και φωτόνια σε πυκνή ύλη - EM shower Pair production (δίδυμη γένεση) Bremsstahlung X0 = radiation length = average distance a high energy electron has to travel before reducing it s energy from E0 to E0//e by photon radiation. 15
Ηλεκτρόνια/φωτόνια μπορείς έυκολα να τα σταματήσεις Critical Energy (κριτική ενέργεια): όταν de/dx (Ionization) = de/dx (Bremsstrahlung) For the muon (the second lightest particle after the electron) the critical energy is at 400GeV. Για ηλεκτρόνια: Electron Momentum 5 50 500 MeV/c - Muon in Copper: σε p 400GeV φτάνει κριτική ενέργεια - Electron in Copper: σε p 20MeV φτάνει κριτική ενέργεια The EM Bremsstrahlung is therefore only relevant for electrons (at the energies of the past and present Detectors) μόνο τα ηλεκτρόνια κάνουν ΕΜ shower 16
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 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... muon 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. 17
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 18
Cerenkov (από Τ. Λιόλιο) (1/4) 19
Cerenkov (2/4): εκπομπή όταν ταχύτητα > όριο Cerenkov 20
Cerenkov (3/4): γωνία εκπομπής μέτρηση ταχύτητας 21
Cerenkov (4/4) 22
Μεση ελεύθερη διαδρομή και Μultiple scattering Για συγκεκριμένη ενέργεια σωματιδίου, όπως στο σχήμα: το βαρύτερο σωματίδιο έχει πολύ μικρότερη ταχύτητα πολύ μεγαλύτερο de/dx πολύ μικρότερη μέση ελεύθερη διαδρομή. Επίσης, όπως φαίνεται στο σχήμα, το βαρύτερο σωματίδιο δεν αλλάζει κατεύθυνση εύκολα προχωρώντας μέσα στο υλικο. 23
Μultiple scattering Θ : γωνία στον τρισδιάστατο χώρο Απόκλιση από την αδιατάρακτη τροχιά του: - αντιστρόφως ανάλογη της ορμής του - ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα του πόσα radiation lenthgs διασχίζει Θp : γωνία σε ένα επίπεδο (δύο διαστάσεις) που περιέχει την τροχιά του σωματιδίου 24