Relazione 2 - INFN-LNF

P. Ciambrone, G. Corradi, E. Pace,
C. Petrascu
LNF – INFN, 16-17 Settembre, 2002
Contenuto
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Idee generali alla base della rivelazione di particelle;
In passaggio delle particelle all’interno dei materiali:
principi generali;
I rivelatori a gas;
Tipi di rivelatori a gas e esperimenti che li usano
Presentazione generale del progetto: apparato
sperimentale, l’elettronica associata e l’acquisizione dei
dati sul computer;
Particelle da rivelare: raggi cosmici – generalita’;
Progetto per le misure da effetuare nel laboratorio il 17
Settembre;
1) Idee generali alla base
della rivelazione di
particelle
Cosa sono i rivelatori di particelle I
I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici inventati per poter
misurare i deboli segnali prodotti dalle particelle sub-atomiche.
grazie ai rivelatori di particelle e` stato possibile “vedere” le particele sub-atomiche e
determinare le loro caratteristiche.
ATLAS @ LHC
Esistono rivelatori diversi con caratteristiche specifiche ottimizzate per effettuare le misure
necessarie;
nei moderni esperimenti di fisica si usano insiemi complessi di piu` rivelatori. Combinando
opportunamente i dati
rivelati si e` in grado di determinare traiettorie, velocita`, masse, cariche elettriche.
K
p
m
p
Cosa sono i rivelatori di particelle II
Il rivelatore ideale di particelle ha le seguenti caratteristiche:
 accettanza completa e fitta segmentazione
 ricostruisce le tracce ed identifica tutte le
particelle
 effettua misure di impulso e/o di energia
 ha tempo morto nullo  velocita` di risposta
elevata
Si utilizzano rivelatori
magnetici per
determinare la cariche e
l’impulso delle particelle
Minore
impulso
Maggiore
impulso
2) In passaggio delle particelle
all’interno dei materiali:
principi generali
Rivelazione di particelle: principi generali
I processi che ci permettono di rivelare le particelle sub-nucleari sono diversi:
Le particelle cariche sono rivelate attraverso la loro interazione elettromagnetica con gli elettroni atomici dei
mezzi attraversati
I fotoni vengono rivelati indirettamente attraverso gli elettroni che essi producono per effetto fotoelettrico,
diffusione Compton o produzione di coppie
I neutroni subiscono interazioni forti con i nuclei dei materiali producendo particelle secondarie cariche
Le particelle piu` difficili da rivelare sono i neutrini che possono avere solo interazioni deboli con i nuclei o
gli elettroni. In questi processi si ha l’emissione di leptoni
La formula di Bethe-Bloch per la
perdita d’energia
dE
dx
Esprime la perdita di energia per
ionizzazione di
una particella carica “pesante” (m>>me)
I < dE < Tmax
I pot. di eccitazione medio I  I0 Z ; I0 = 10
eV
Per e+ e- la massa del bersaglio e del proiettile
sono
uguali, ed inoltre si deve tener conto del fenomeno
Bremsstrahlung.
 dx 
dE
= -4p NAre2 me c2 z2 Z
Ab2


1/2 ln
2me c2g2b2
I2
Tmax - b2 - d/2


Dipende solo da b non da m
Perdita di energia di elettroni e positroni
 dx 
dE
=
E
X0
-2 A
716.4
g
cm
X0 =
Z (Z+ 1) ln (287/  Z)
Lunghezza di radiazione
e
Per energie di elettroni/positroni > 10 MeV entra in gioco il fenomeno della Bremsstrahlung
emissione di fotoni dovuta all’effetto accelerante del campo Coulombiano dei nuclei
ZA
g
Rivelazione di fotoni
e-
Per poter essere rivelato un fotone deve creare o cedere energia ad una particella carica
Effetto fotoelettrico
X-
X
g + atomo

ione+ + e-
Vengono estratti principalmente elettroni delle shell sKfoto  Z5
Diffusione Compton
s
compton
e
qg
g +e 
g’ + e’
E` un fenomeno di diffusione da parte di un elettrone quasi libero
Produzione di coppie
Z
g + campo Coul. 
e+ + eSolo se
Eg > mec2
Rivelazione di adroni
Gli adroni subiscono interazioni nucleari che determinano eccitazione o rottura del nucleo.
Adrone
Z,A
p
p+
n
La molteplicita`  ln(E)
p0
p-
In analogia con l’interazione elettromagnetica si definisce il coefficiente di assorbimento adronico
la =
A
NA sinel
Rivelazione di neutroni
Non avendo carica l’interazione dei neutroni e` basata su interazioni forti e deboli

Reazioni attraverso le quali e` possibile rivelare i neutroni:
 n + 6Li  a + 3He
 n + 10B  a + 7Li
En < 20 MeV
3
3
 n + He  p + H
n+pn+p
En < 1GeV
…inoltre per neutroni termici (En 1/40 eV) si possono avere fenomeni di fissione e per neutroni En > 1GeV
fenomeni di cascata adronica
Rivelazione di neutrini
Come per i neutroni anche i neutrini sono rivelati con processi indiretti
 n l+ n  l -+ p
 n l+ p  l ++ n
l = e, m, t
La sezione d’urto del processo n e+ n  e- + p e` circa 10-43 cm2
l’efficienza di rivelazione e = s  r
NA
A
d
 1 m di Ferro e  5  10 -17
Per rivelare i n occorrono flussi elevati e rivelatori estremamente massicci (ktons)
In esperimenti agli acceleratori, dove si disponga di detector “ermetici”, le proprieta` dei neutrini possono
essere dedotte indirettamente una volta che si sono misurate tutte le altre particelle presenti nell’evento
3) Rivelatori a gas
Rivelatori a gas
-
recipiente contenente gas
particella carica
e+, e-, m+, p etc
uno degli atomi del
gas, viene ionizzato
107÷8
+
alimentatore
L’elettrone, libero,
sente il campo elettrico,
e viene accelerato;
colpendo gli altri atomi
del gas produce una
valanga di elettroni
0/1
segnale elettrico
ADC
analisi e archivio
Rivelatori a gas I
le particelle cariche attraversando un gas lo ionizzano
Ionizzazione primaria
Ionizzazione totale  3, 4 volte ionizzazione primaria
Wi = potenziale di estrazione
Z
ntotal = DE
Wi
Spesso gli elettroni prodotti hanno sufficiente energia
per effettuare ulteriori ionizzazioni
DE = dE/dx Dx
Una m.i.p perde circa 2 MeV in un cm di Ar  100 coppie e- /ione
troppo poche per essere rivelate  occorre amplificare il segnale
Si usano gas nobili perche` avendo le shell complete
dissipano l’energia trasferita solo attraverso la
ionizzazione. Si aggiungono basse percentuali
di idrocarburi per evitare scariche.
e-
Ar
11.e eV
catodo Cu
7.7 eV
Rivelatori a gas II
Regione Geiger. La scarica interessa tutta la lunghezza del filo
e viene interrotta interrompendo HV
E` detta anche regione di “streamer limitato”
si formano piu` valanghe e si perde la proporzionalita`
Si ha moltiplicazione delle cariche prodotte
dalla ionizzazione primaria con produzione
di una “valanga” ampl  DE
+
-
+
La carica e` raccolta senza moltiplicazione
+
+
+
+
-
4) Tipi di rivelatori a gas ed
esperimenti che gli usano
Multiwire Proportional Chambers
G. Charpack et al. 1968. Premio Nobel 1992
L
Distribuzione delle linee di campo in una MWPC
la spaziatura fra gli anodi e` di 2 mm
catodo
d
Fili anodici
Le migliori risoluzioni spaziali ottenute sono ~ 100 mm
Una delle “low mass MWPC” dell’esperimanto FINUDA
La coordinata z puo` essere determinata in vari modi:
• divisione di carica (fili resistivi ~ 2KW/m)
• tempo di arrivo alle due estremita` del filo
• piani incrociati di fili
• induzione su strisce catodiche segmentate
y
traccia
QA
QB
y
QB
=
L
L
QA + QB
Camere a deriva
La traccia della particella si ricostruisce attraverso la misura del tempo di deriva rispetto
ad un riferimento esterno: x =  vd(t) dt
ritardo
start
scintillatore
stop
x
deriva
Regione di deriva
a basso campo
T
D
C
Con I suoi 52140 fili la camera
a deriva di KLOE e` la piu` grande
finora costruita
anodo
Regione di deriva
a alto campo
Geometria degli straw tube
dell’esperimento FINUDA
Gli straw tubes sono camere a deriva cilindriche “moncanale”. Per ottenere
Informazioni sulle diverse coordinate spaziali si possono usare piani I
ncrociati di tubi.
Time Projection Chamber
E` l’unico rivelatore a gas che permette di ricostruire le tracce in 3D.
Si tratta di un grosso volume di gas separato da un setto a potenziale negativo. Le cariche create dalla
ionizzazione
migrano verso i “piatti” terminali che sono segmentati ed equipaggiati con MWPC .
Novita`principale: campo elettrico e campo magnetico paralleli  si riduce enormemente il fenomeno della
diffusione.
gas con alta purezza (no impurita` el. neg.)
Occorre cononscere con precisione la velocita` di deriva controlli

precisi di pressione e temperatura
PEP- 4 TPC
Problemi di deriva degli ioni negativi
Vg  150 V
Elettrodo negativo
Le coordinate x-y si ottengono dagli hit sui fili e sul catodo segmentato delle
MWPC
poste sui piatti, la z dal tempo di drift. Si fanno anche misure di dE/dx
Identificazione
Ricostruzione dell’evento
e+ e-  q q
++ m-ee++ee- -
m
e e
Esperimento ALEPH 1988-2001
si si si sisi no
si nosi
no
1 cm
-1cm
+1cm
5) Presentazione generale del progetto:
apparato sperimentale, l’elettronica
associata e l’acquisizione dei dati
sul computer
6) Particelle da rivelare:
raggi cosmici
I “raggi cosmici” sono stati scoperti da Victor
Hess, Universita’ di Vienna, (Nobel 1936) in
1912 in un’esperimento con un elettroscopio
lanciato a 5 km di altezza in un pallone
I raggi cosmici primari sono delle particelle
cariche (soprattutto protoni) di alta ed
altissima energia.
All’arrivo nell atmosfera terestre (che ci
protegge) interagiscono con le molecolle e gli
atomi dell’atmosfera creando le cosiddette
“cascate di particelle secondarie”.
Al livello del suolo arrivano queste particelle
secondarie (soprattutto dei muoni) – vedi
figura che segue.
Cascata prodotta da un raggio cosmico
primario all’arrivo nell’atmosfera terestre
L’origine dei raggi cosmici: provengono dalla
nostra Galassia:
- il sistema solare (il sole);
- altre stelle;
- esplosioni di supernovae (remnants);
- altri sorgenti piu’ esotiche: stelle di
neutroni; bucchi neri…..
- lo spazio interstellare (anomalous cosmic
rays)
Il loro studio e’ importante e ci sono tanti
esperimenti fatti apposta per studiarle,
perche’ offrono un’opportunita’ unica per lo
studio di particelle in un range di energia
non ancora accessibile sulla Terra, nonche’
per capire meglio la loro origine, quindi per
studi di Astrofisica e Cosmologia.
Inoltre vengono usati per la calibrazione di
vari rivelatori.
Quanti ci sono?
Flusso dei raggi cosmici (soprattutto muoni)
al livello del suolo e’:
1 raggio cosmico/min/cm2
(vuol per esempio dire che mentre dormiamo
siamo attraversati da un millione di
particelle cosmiche)
Per quel che riguarda il nostro studio ci
interessa anche la distribuzione angulare:
va come cos2q (angolo con la verticale)
Per alcuni esperimenti che studiano eventi
molto rari i raggi cosmici sono “fastidiosi”.
Serve eliminarli:
- attraverso il trigger;
- facendo degli esperimenti sotto-suolo: Gran
Sasso, vedi figura.
Underground Laboratories
Gran Sasso
Evento raro
7) Progetto per le misure da
effetuare nel laboratorio il
17 Settembre
Misure da effettuare nel Laboratorio
noi vi proponiamo:
1.
2.
3.
4.
5.
Visualizazione dei segnali di uscita con l’oscilloscopio e
calcolo dell’ampiezza del segnale;
Lo studio della variazione del segnale con la tensione di
alimentazione e la miscella di gas;
Calcolo del flusso di particelle rivelate in coincidenza dalle
tre camerette e comparazione col flusso di raggi cosmici
notto (l’efficienza delle camerette);
La distribuzione angolare dei raggi cosmici;
Lo studio dello schermaggio dei raggi cosmici con lastre di
piombo;
Misure da effettuare nel Laboratorio
se c’e’ tempo
1.
2.
Misura delle particelle provenienti da una sorgente: la
dipendenza delle distanza fra la sorgente e il rivelatore;
Le vostre proposte….
 Libri di Testo
Bibliografia
• W. Blum, L. Rolandi, Particle detection with drift chambers,
Springer Verlag, 1993
. K. Kleinknecht, Detectors for particle radiation,
2nd edition, Cambridge University press 1998
• W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,
2nd edition, Springer 1994
 Articoli di rassegna
• Experimental techniques in high energy physics,
T. Ferbel (editor), World Scientific 1991
• Instrumentation in High Energy Physics,
F. Sauli (editor), World Scientific 1992
 Altre fonti
• Review of Particle Physics,
(Eur. Phys. Jou. C, Vol. 15 N.1- 4, 2000)
• http://training.web.cern.ch/Training/ACAD/Transparencies/Joram300398/pd1/index.html
• The Particle Detector Briefbook,
http://rkb.home.cern.ch/rkb/titleD.html
• TERA foundation home page
http://www.tera.it/index_it.html