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Por Ana Correia, coordenadora de um grupo do ATLAS um dos detectores de partículas do LHC
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Detecção de partículas em Física de Altas energias
A H iAna Henriques
CERN
Sumário• Os princípios de interacção das partículas com a matéria
• Os vários componentes de um detector:
- Calorímetro electromagnético e hadrónicog- Detector de traços interno - Espectrómetro de muões
• Integração num detector global
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Q i tí l d d t t ?Quais as partículas que podemos detectar?• Partículas carregadas : ±±−+ μπ ,,,, peeg
• Partículas neutras:
μπ ,,,, peeνπγ 0nPartículas neutras:
• Partículas com semi-vida muito curta não são observadas de
νπγ ,,, n• Partículas com semi-vida muito curta não são observadas de
forma directa, o que detectamos serão os produtos da sua desintegração (muito frequente em experiencias de física dedesintegração (muito frequente em experiencias de física de altas energias)
• Diferentes tipos de partículas vão interagir de forma diferente com o material que constitue o detector.
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q
Qual a função de um detector numa experiência de Física de altas energias?
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Em geral não se ‘vê’ as partículas criadas pela colisão mas sim os seus produtos finais (partículas d t f tõ ) ã d t t d t é d i t ã té i titcarregadas.neutras, fotões) que vão ser detectadas através da sua interacção com a matéria que constitue
as várias partes do detector .
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Qual a função de um detector numa experiencia de Física de altas energias?
Um detector ideal será aquele que permite detectar e medir as propriedades das partículas emergentes e i t i l t t t U d t t d tassim reconstruir completamente o evento . Um detector deve ter:
-Um ângulo de ‘visão máximo (com boa granularidade e sem espaços mortos).g ( g p ç )
-Efectuar medidas de momento e energia das partículas (p, E) => massa2
22222422
ccpE
mcpcmEr
r −=⇒+⋅=
-Detectar e identificar a trajectória das partículas (carga)
c
RvmBvqF 2⋅=⋅⋅=
pvmRBq r=⋅=⋅⋅⇒
-Ter uma resposta rápida de forma a medir o tempo de vida da partícula (semi-vida)
Isto só e possível utilizando vários sub-detectores complementares
As componentes de um detector num colisionador de partículasp p
Protão (7 TeV)Partícula incidente(ex: no LHC Protão (7 TeV)
DetectorCâmara de traços
Calorímetro electromagnético
Calorímetro hadrónico
Espectrometro de muões
fotões
muões
CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERNInterior Exterior
Princípios de detecçãop ç• Só é possivel medir as características duma partícula se elas interagirem com o material
do detector => criar um sinal mensurável (sinal eléctrico,luminoso,…)
As partículas carregadas vão interagir por:e-
• IonizaçãoColisões com os átomos do material absorvedor arrancando electrões e t f i d lh t d i i i i l
p
transferindo-lhes parte da sua energia inicialO número de colisões e consequente perda de energia é proporcional a densidade de electrões do meio
e- γ• ExcitaçãoExcitação do material absorvedor com libertação de fotões / luzque vão transportar parte da energia da partícula incidente
pe
p p
γ
• Mudança da trajectória das partículasCurvando as com um campo magnético medindo a sua perda de energia
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– Curvando-as com um campo magnético, medindo a sua perda de energia– dispersão, mudança de direcção, absorção
Interacção das partículas neutras (fotões)Para ser detectado o fotão tem de criar ou transferir a sua energia para partículas carregadasPara ser detectado o fotão tem de criar ou transferir a sua energia para partículas carregadas
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Os e+- assim formados vão por sua vez emitir novos fotões por efeito de Bremsstrahlung.
E t i l i t t d tí l l t étiCERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN
Este ciclo vai-se converter numa cascata de partículas electromagnética
Cascata electromagnéticaCascata electromagnética
Átomo de chumboBloco de Matéria,
e.g. Chumbo
Átomo de chumbo
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Interacção das partículas hadronicas carregadas (p,π,k) ou neutras (n)
A interacção de hadrões energéticos (neutros e carregados) com a matéria é
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determinada por processos inelásticos, i.e., excitação nuclear que leva àfragmentação e emissão de partículas secundárias =>secundárias >
Formação de uma cascata hadrónica!
Os neutrões para serem detectados tem de criar partículas carregadas através de processos elásticos (E > 1GeV) e
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d d t thi i t
de processos elásticos (En > 1GeV) e inelásticos (En < 20 MeV)
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cascata hadrónica
O Princípio de detecção dos Calorímetrosp çMecanismo básico em calorimetria:
Formação de cascatas electrómagneticasFormação de cascatas hadrónicas
Transformação da energia da cascata em:Transformação da energia da cascata em:Ionização ( carga)Excitação (cintilação e luz de Cerenkov)
Método destrutivo i e Partícula e energia são absorvidasMétodo destrutivo, i.e., Partícula e energia são absorvidas.Resposta do detector ∝ Efunciona para partículas carregadas (e+/- e hadrões)
em complementaridade às medidas de momento p…em complementaridade às medidas de momento pfunciona para partículas neutras (n, fotões)
…única forma de obter directamente informação da i é i d í l
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cinética de partículas neutras
Calorímetros homogéneosCalorímetros homogéneosToda a energia absorvida no detector é detectada,
‘ l l i ’ ( l í l é i d CMS ( )ex: ‘crystal calorimeters’ (calorímetro electromagnético de CMS (PbWO4):
sinal
Fotodíodo
Crystal (BGO, PbWO4,…)
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Calorímetros de amostragemO material activo (menos denso ) é intercalado com um material absorvedor muito denso:
O que se detecta e uma fracção da energia absorvida , proporcional à energia incidente das partículas (ex: calorímetro electromagnético de ATLAS, todos os calorímetros hadrónicos em LHC)
…mas tem de ser calibrado …mas tem de ser calibrado com feixes de energia conhecida !!!com feixes de energia conhecida !!!
CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERNDetectores - câmaras de fios e cintiladores
Blocos densos, e.g., feitos de chumbo
Calorímetros de amostragemCalorímetros de amostragem
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Calorimetros de ATLASCalorimetros de ATLASTile barrel Tile extended barrel
LAr hadronic end-cap (HEC)
LAr EM end-cap (EMEC)
LAr EM barrel
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LAr forward calorimeter (FCAL)
LAr EM barrel
Calorímetro electromagnético de CMS
61200 barrel crystals 14648 endcap crystals10 3 t l y10m3 crystals
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A função dos detectores de traços -Permite medir a carga e momento das partículas carregadas produzidas na colisão (na presença de um campo magnético).
- A sua trajectória vai ser reconstruída medindo vários pontos no espaço.
Usam-se materiais / detectores pouco densos de forma a minimizar a dispersão dasUsam se materiais / detectores pouco densos de forma a minimizar a dispersão das partículas e medir a sua trajectória (momento) com o maior rigor.
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Q i kTi ™ d
RvmBvqF 2⋅=⋅⋅=
pvmRBq r=⋅=⋅⋅⇒ QuickTime and aTIFF (LZW) decompressor
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Os vários tipos de detectores de traços
– Detectores de cintilação:- Orgânicos- Inorgânicos
Gases- Gases
- Detectores de ionização:Detectores de ionização:• Câmaras de deriva • MWPC (‘multi wire proportional chamber’)• TPC (Time projection chamber’• Detectores de silício
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Principais técnicas usadas nos detectores de traços1) Detectores de cintilação (baseados na excitação dos seus átomos) quando partículas carregadas os ) ç ( ç ) q p g
atravessam emitem luz na zona dos ultravioleta e luz visível. Também muito usados em calorímetros:
- Gases nobres- Cristais inorganicos
Total reflectiong
- Cintiladores orgânicosScintillating
materialScintillating
material
Quando a luz das fibras cintilantes e detectada individualmente pode reconstruir-se o trajecto da partícula
•Fotomultiplicador (PM) converte o signal luminoso em sinal electricoCristais cintiladores:
Scintillatorcomposition
Density(g/cm3)
Index ofrefraction
Wavelength
of max.Em.(nm)
Decay time
Constant(µs)
ScintiPulse
height1)
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NaI(Tl) 3.67 1.9 410 0.25 100
CsI 4.51 1.8 310 0.01 6
CsI(Tl) 4.51 1.8 565 1.0 45 are needed to see this picture.Cs ( ) .5 .8 565 .0 5
CaF2(Eu) 3.19 1.4 435 0.9 50
BaF2 4.88 1.5 190/220310
0,00060.63
515
BGO 7.13 2.2 480 0.30 10
CdW04 7.90 2.3 540 5.0 40
PbWO4 8.28 2.1 440 0.020 0.1
Principais técnicas usadas nos detectores de traços (cont)2) Detectores de ionização. A partícula no seu percurso arranca electrões do detector. Um potential eléctrico criado
entre o ânodo / cátodo obriga os electrões a deslocar-se para o anodo e os ioes (+) para o catodo
+ ++Catode (-)
-- ---+
+++Sinal
MWPC (‘multi wire proportional chamber’)Premio Nobel: G.Charpak, 1992Premio Nobel: G.Charpak, 1992
TPC (‘time projection chamber’‘Drift tube’ (Geiger counter)+ HV GasGas
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Anode (+) wiresAnode (+) wires Cathode (-): pads or wiresCathode (-): pads or wires MWPCgives r,φMWPCgives r,φ
EB- - - -
+ +++ -- ----
xy --
+++--
QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor x
z = vdrift tz = vdrift t
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A medida do tempo de deriva (entre a
+-
Erro limitado pela dist. entre anodos=>Erro no momento e origem do traco
A medida do tempo de deriva (entre a passagem da partícula e a chegada dos electrões ao anodo) e convertida num raio atraves duma correlacao raio-tempo
100-400V/cmTempos de deriva ~ 10-100 µs
“Drifting tubes”
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Espectrometro de muões de ATLASEspectrometro de muões de ATLAS
Precision chambers: T i h bPrecision chambers:- MDTs in the barrel and end-caps,- CSCs at large rapidities in the i t d t ti
Trigger chambers:- RPCs in the barrel,- TGCs in the end-caps
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innermost end-cap stations
Precision alignment system
câmaras de muões de ATLAS
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MWPC ITC (ALEPH)Inner Tracking Chamber
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ALEPH TPC
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Detectores de ionização: ‘Silicon Microstrip’Semicondutor (Si)Semicondutor (Si)
Creation of electron-hole pairs by ionising particle
Creation of electron-hole pairs by ionising particle 0.2 - 0.3 mm
ESilicon wafers, doped
•Mesmo objectivo que os detectores de•Mesmo objectivo que os detectores de ionização de gás
•Aqui as ‘stripes’ funcionam comodíodo
-
q pos fios (ânodo ) das câmaras de fios mas com muito melhor resolução em posição ( até 10 µm).
+
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“Silicon Microstrip detectors”Silicon Microstrip detectors ...OPAL VDET
Future ATLAS tracking detector
ALEPH VDET
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Conceito do campo magnético em detectores
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Principais características:Campo magnético homogéneo dentro do “coil”Espaço reduzido (=>custo) Grandes quantidades de material (>Z)
Principais características:Campo magnético perpendicular ao momento
Elevados B em grandes volumesGrandes quantidades de material (>Z)
Ex: de experiencias que usam um solenoid:
Inferior quantidade de material no interior (<Z)B não uniforme
Exemplo de experiencias que usam um toroid:-CMS (4Tesla=4x104Gauss) no LHC-ATLAS (2T) para o detector de traços interno - L3 (0.5T) e DELPHI (1.2T) no LEP
Exemplo de experiencias que usam um toroid:-ATLAS (~0.5T) no LHC para o espectrómetro de muões
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CMS solenoid:supercondutorlength 12.5 m
ATLAS barrel toroid:supercondutor
Free bore diameter 6 mCentral magnetic induction 4 TNominal current 20 kAStored energy 2.7 GJ
length 25 mInside diameter 9.5 mCentral magnetic induction 0.4 TNominal current 20.5 kA
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ATLAS Trigger DAQ Controls40 MHz Trigger DAQ
Calo MuTrChOther detectors
40 MHz
ATLAS Trigger, DAQ , Controlsrigger
Read Out Drivers
FE Pipelines
LVL1
DE
2.5 μs
75 kHz 120 GB/sRead-Out Drivers
Read-Out Buffers
Read-Out Links120 GB/s
T R/O
Lvl1 acc = 75 kHzRODRODROD
RoI
RoI data = 1-2%
HDA
2 kH~2+4 GB/s
RoI BuilderL2 Supervisor
L2 N/work
Read-Out Sub-systemsROS
ROB ROB ROBLVL2 ~ 10 ms
ROIB
L2P
L2SV
L2N
RoI requests
L
T
TAFL
~2 kHzEvent Building N/workDataflow Manager
Sub-Farm InputEvent BuilderSFI
EBNDFMLvl2 acc = ~2 kHz
Event Filter~ sec
B/s
L2 Proc Unit L2P L2N
OW
Event BuilderEB
SFI
Event Filter N/work
Sub Farm Output
Event FilterProcessors EFN
Event FilterEFP
EFPEFP
EFP
~4 G
B
EFacc = ~0.2 kHz
CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN~ 200 Hz ~ 300 MB/s
Sub-Farm OutputSFO
CMS Trigger ‘ DAQgg Q
P i i lPrinciple
Implementation40 MHz
Implementation
Fully scalable:8 x (12.5 kHz DAQ units)
100kHz
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100Hz
Various counting rooms (USA15Sala onde chega a electrónica de aquisiçãoVarious counting rooms (USA15,
SDX1,US15)SDX1,US15)
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Sala de aquisição de dados na superfície(no presente só raios cósmicos )
ATLAS Control Room(no presente só raios cósmicos…)
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Raio cósmico detectado em ATLAS
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Conceitos de detectores diferentesAlvo fixoColisionador- 4π
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Ex: ATLAS e CMS no LHC
Ex: ALICE e LHCb no LHC- ATLAS e CMS no LHC
- DELPHI,ALEPH,L3,OPAL no LEP
â l ólid á i
- ALICE e LHCb no LHC- NA48 no SPS
 l d it ã li it dCERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN
ângulo sólido máximoCompacto, Acesso difícil
Ângulo de aceitação limitadoAcesso para manutenção mais fácil
As 4 experiencias do LHC(enterradas a ~ 90m de profundidade) Colisionador 4π( p )
AtlasAlvo fixo
Colisionador 4π
Alice
LHCbCMS
Alice
LHCb
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CMS
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ATLAS
22 m
44 m
CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN7000 t
The ATLAS DetectorThe ATLAS Detector
ATLAS superimposed toATLAS superimposed tothe 5 floors of building 40
Diameter 25 mBarrel toroid length 26 mEnd-cap end-wall chamber span 46 mO ll i ht 7000 T
34 Countries
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Overall weight 7000 Tons151 Institutions1770 Scientific Authors
LHCbLHCb
Cb
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ReferênciasCh i ti J t l P ti l D t t L t f P t d t St d t d S• Christian Joram et al Particle Detectors; Lectures for Postgraduates Students and Summer Students, CERN 1998, 2003, 2005
• Sascha Schmeling , Pedro Guevara, High Schools Teachers Program CERN 2003-2006
• Werner Riegler, Particle Detector lectures for CERN summer students 2007
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CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERN43
Al f t d I t l ã t t dAlgumas fotos da Instalação e testes de uma experiência do LHC (ATLAS)uma experiência do LHC (ATLAS)…
Calorimetros end cap em posicao garagem
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End cap ToroidsEnd-cap Toroids
CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERNCryo tower
September ‘06
calorimetros Inner tracker
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TGC muon wheel LVL trigger cabling
‘inner tracker’inner tracker
May 29
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Pixel
June 28
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beam pipes VA-C
IonIon pump
CERN High school teachers 2007 Ana Henriques/CERNVA-A
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