Calorimetri - INFN-CS

Physics MasterClasses 2013
RIVELATORI DI PARTICELLE
‘Vediamo’ le particelle studiando gli effetti
che producono attraversando la materia.
04/06/2017
L. La Rotonda
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INDICE
• Esempi di rivelatori (non per LHC ! )
• Cosa misuriamo
Esperimento ATLAS
• I Rivelatori:
• Calorimetri
• Tracciatori
• Analisi dei dati
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Un Esempio di Rivelatore : Camera a Bolle(1950)
Il principio di funzionamento si basa sui processi di ionizzazione:
Una particella carica che attraversa la materia cede energia ad atomo, un
elettrone viene espulso e si crea una coppia elettrone libero-ione positivo
La camera contiene un liquido al punto di ebollizione.
In corrispondenza degli ioni creati dal passaggio delle
particelle cariche si formano delle bolle, che evidenziano
la traccia.
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La Conservazione dell’ Impulso
Impulso stato iniziale=Impulso stato finale
•M1V1 = M2V2 + M3V3
•M1V1 = M2V2 cosθ + M3V3 cos α (asse X)
•0 = M2V2 sinθ - M3V3 sin α
(asse Y)
L’ impulso mancante e’
associato al neutrino.
Un alto valore di Impulso/Energia mancanti e’ il primo
criterio per selezionare gli eventi : W  e/μ + ν
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Cosa misurare per ogni particella ad LHC? (1)
La maggior parte delle particelle prodotte ad LHC sono instabili.
Se non vivono abbastanza per raggiungere i rivelatori vengono
individuate dai loro decadimenti.
W  μ/e + ν
Velocità della luce: c = 3 108 m/s
Vita media (τ) = tempo medio che trascorre prima che del decadimento.
W
τ = 3 10-25 s
S = c τ = 9 10-17 m
μ (muone)
τ = 2.2 10-6 s
S = c τ = 660 m
e (elettrone) stabile
ν (neutrino) stabile - non lascia traccie – rivelazione indiretta.
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Cosa misurare per ogni particella ad LHC?(2)
•Posizione
•Direzione del moto
•Carica
•Energia/impulso
Identificate le particelle e le
loro caratteristiche ricostruiamo
l’ evento complessivo.
Wμ+ν
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I Rivelatori in ATLAS
In ATLAS abbiamo 2 tipi di rivelatori:
•CALORIMETRI
•TRACCIATORI
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ATLAS (1)
• I rivelatori sono posti uno dentro l’altro intorno al punto dove si
scontrano le particelle.
22m
46m
Peso 7000 ton
Superficie rivelatori 6000 m2
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ATLAS (2)
A partire dallo strato piu’ interno troviamo in successione:
Inner Detector (Tracciatore)  Ricostruzione tracce – Misura l’ impulso e carica
Calorimetro Elettromagnetico  Misura Energia
Calorimetro Adronico  Misura Energia
Camere mu (Tracciatore)  Ricostruzione tracce - Misura l’impulso e carica
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Calorimetri – Misura dell’ ENERGIA
Strati di materiale denso (assorbitore) alternati a strati di rivelatore.
Nell’ assorbitore si sviluppa lo sciame  le particelle perdono energia
fin quando sono totalmente assorbite. Misura DISTRUTTIVA
particella
...
assorbitore
rivelatore
carica ≈ energia particella iniziale
• Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di e- , e+ , γ)
• Calorimetri
Adronici
di adronitutta
carichilae sua
neutri:
p,n,π,K)
Misura
distruttiva
: la (rivelazione
particella rilascia
energia
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Lo sciame elettromagnetico
Un γ di alta energia interagisce nel mezzo
e produce una coppia e+ e- ad energia inferiore.
Gli elettroni e positroni perdono energia
emettendo γ (bremsstrahlung)
L’ insieme di questi processi da luogo
alla formazione dello sciame.
Ad energia di qualche MeV il processo si
interrompe. Subentrano altre interazioni
che portano al rapido assorbimento della
particella nel calorimetro.
μ ed adroni perdono solo una frazione di energia nei calorimetri em
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I Calorimetri elettromagnetici di ATLAS
In ATLAS 3 calorimetri elettromagnetici
1 nella zona centrale (barrel)
2 nelle le regioni in avanti misurano l’
energia di γ ed elettroni prodotti ad
un angolo tra 28.3° e 4.7° rispetto ai fasci
Costituiti da strutture in Pb immerso in Ar liquido a 90 K
Lo sciame si sviluppa nel piombo.
Il segnale, in corrente, e’ dato dagli
elettroni prodotti per ionizzazione
nell’Ar dalle particelle dello sciame.
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I Calorimetri adronici di ATLAS
•Strati di ferro alternati a rivelatori nel barrel.
•Rame come assorbitore ed Ar come rivelatore per
i calorimetri in avanti
Misurano l’ energia di protoni, neutroni, pioni.
I μ perdono solo una frazione di energia nei calorimetri adronici.
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Tracciatori (1)
Il principio di funzionamento dei tracciatori si basa sulla
ionizzazione che e’ prodotta dalle particelle cariche che
li attraversano.
Gli elettroni sono raccolti e producono un segnale elettrico.
La perdita di energia della particella e’ trascurabile.
Un tracciatore e’ costituito da tanti ‘elementi’ che si ‘accendono’ al
passaggio di una particella carica.
• Ricostruzione del percorso della particella carica
• Identificazione del punto di produzione (vertice)
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Tracciatori (2)
Se un tracciatore e’ posto in un campo magnetico ( B ) si determina
l’ impulso (mv) dalla traccia e la sua carica
F=qvxB
Il raggio e ≈ all’ impulso
perpendicolare a v e B
mv
r
qB
Possiamo conoscere il segno della carica
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I Tracciatori di ATLAS
Due sistemi di tracciatori in ATLAS:
•Inner Detector
• Spettrometro per muoni
Entrambi in campo Magnetico
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Inner Detector
3 diverse tecnologie:
Pixels e il SiliCon Tracker individuano il punto di passaggio della traccia.
Transition Radiation Tracker da’ anche informazioni sul tipo di particella.
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Spettrometro per muoni (1)
E’ il rivelatore piu’ esterno. Misura l’ energia dei μ dalla curvatura delle tracce.
E’ costituito da strati di camere (MDT) che contegno tubi di Al riempiti
di gas. Il muone ionizza il gas, gli elettroni prodotti sono raccolti sul
filo conduttore posizionato al centro del tubo.
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Spettrometro per muoni (2)
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Inner detector
(tracciatore)
Calorimetro
elettromagnetico
Calorimetro
adronico
Camere mu
(tracciatore)
Ricostruisce il
percorso
delle particelle
cariche
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Misura
Energia
di e-γ
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Misura
energia
per adroni
Ricostruzione percorso
ed impulso dei μ
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Animazione
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Rivelazione dei neutrini (1)
y
y
x
z
I due protoni si muovono lungo l’ asse Z. 
nel piano XY l’ impulso di ogni protone e
L’ impulso totale sono nulli.
In urto l’impulso totale e’ lo stesso prima e dopo
la collisione.
Nel piano trasverso (XY) le particelle avranno
lo stesso impulso (linea rossa) e si muoveranno
nella stessa direzione ed in verso opposto.
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z
x
y
x
z
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Rivelazione dei neutrini (2)
Evento 1
Evento 2
y
y
x
x
Nell’ evento 2 l’ impulso trasverso mancante (MPT), come l’ energia trasversa
mancante (MET), possono essere dovuti alla produzione di neutrini.
Nell’ analisi dei dati un alto valore di MET e’ uno dei criteri di selezione
per individuare eventi prodotti dal decadimento di W ( W e/μ + ν )
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Selezione degli eventi
Eventi di segnale
a W +  e+ + v
W+  μ+ + v
W-  e- + v
W-  μ- + v
H  W+ + W-
a
Eventi di fondo per W
Z0  e+ + e-
Z0  μ+ + μ-
(uno dei leptoni sfugge ai rivelatori)
I dati di segnale sono estratti dal campione di eventi noti gli stati finali e
le distribuzioni cinematiche ( impulsi,angoli fra le particelle, etc.)
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no
si
1 solo leptone con
Pt > 15 GeV
no
no
Solo 2 leptoni + di carica
opposta + isolati dai Jets +
Pt (l1) > 25 GeV
Pt (l2) > 15 GeV
si
... con Pt > 20 GeV
no
si
si
Leptone isolato dai Jets che
vengono dallo stesso vertice
Entrambi i leptoni della
stessa famiglia
no
si
no
si
Determinare la carica
del leptone
no
si
Evento di fondo
Misura l’ angolo tra i leptoni
Determinare il tipo di leptone
nel piano trasverso
elettrone (e- ) /
positrone (e+ )
muone (μ- ) /
antimuone (μ+)
+ e tipo di leptone / W- e tipo di leptone / fondo /
Registra: il numero dell’ evento ed il risultato
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L. (W
La Rotonda
WW e l’ angolo tra i leptoni ).
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