Esame di: Rivelatori di particelle - Fisica

Esame di: Rivelatori di
particelle
aa. 2011/2012
Esaminando: Boco Elisabetta
Docente: Vadata Marisa

Caratteri generali
✔Detector: strati di materiali diversi → permettono di misurare energia
e momento delle particelle tramite:
● Sistemi di riconoscimento per muoni
● Sistemi per rivelare e- e p → buona risoluzione
● Ottimo tracciatore
● Calorimetro adronico ermetico e che circondi il punto di interazione
● Forte campo magnetico ( ho muoni → alte energie)
● Magnete grande → più strati di camere per muoni:
• Dentro il solenoide: tracciatori
• Fuori dal solenoide: camere a muoni

Nuove caratteristiche:
✔Quattro strati di solenoidi per avere 4T
✔Cavi rutherford rivestiti con alluminio: possono essere messi direttamente
in elio liquido
✔Sforzo dato da:
2
✔ Pressione magnetica: P=B /2μ0 0
✔ Modulo elastico, spessore: PR/ΔRs=Yε
→ funzione strutturale di gran parte del solenoide
→ materiale strutturale vicino agli elementi che portano corrente
→ self-supporting conductor
→ sforzo distribuito tra gli strati e l'impalcatura cilindrica

2.0 Tracciatori interni: overview
Per ricostruire elettroni e muoni di alto pT con efficienza >95% per | η |>2.5
Occupazione
✔ 2
R

Tracker Inner Disks:
Radiali rispetto al fascio
Spessore 320μm
Passo medio che varia
tra 100 e 141μm
Tracker Out Barrel
55cm

2.2 Risoluzione attesa
●100Gev → fino a η=1,6
risoluz=1-2%.
Poi si riduce.
→ ad alto momento trasferito lo
scattering multiplo da il 20-30%
della risoluzione. Poi domina
δp /p dominata dalla
T T
risoluzione sul primo pixel.
Rovinato a piccoli momenti
dallo scattering multiplo
Efficienza del 99% per μ su
tutta l'accettanza.
Se η→0
l'efficienza decresce
per gli spazi tra gli strati di pixel
a z→0. Ad alte η si riduce perchè ho
poca copertura dei pixel nei
dischi.
Per e adroni è più basso per
π
le interazioni nel materiale.

2.3 Pixel detectors
Parte più vicina regione di interazione ●Tracce precise in r- Φ e z
●Risoluzione per piccoli parametri
d'urto
→ ricostruzione vertci secondari
●-2,5< η

3.0 Electromagnetic Calorimeter
L'obiettivo del calorimetro elettromagnetico è misurare con alta precisione
l'energia di particelle elettromagnetiche, oltre che,in combinazione con il
calorimetro adronico, fornire una ricostruzione dell'energia dei jet adronici.
Il calorimetro elettromagnetico svolge un ruolo fondamentale nella ricerca del
bosone di Higgs, specialmente nei canali di decadimento H → γγ e H → ZZ* → 4e
oppure ZZ* → 2e + 2μ
. Le difficoltà sperimentali di questo canale hanno portato la collaborazione alla
scelta di un calorimetro elettromagnetico di eccellente risoluzione energetica e
granularità → massimizzare la risoluzione nella misura della massa invariante di
due fotoni.
Per questo motivo si e optato per un
calorimetro omogeneo,
di grande precisione, con una massa
sensibile formata di cristalli scintillanti.

3.1 Scintillatore: Tungstato di piombo
Emissione nel blu-verde con massimo a 420-430 nm
Ma....
Energia dissipata in emissioni termiche dal reticolo
→ Light yeld molto basso (30fotoni/MeV) e varia con T
→ rivelazione tramite fotodiodi a valanga nel barrel e
Tramite fototriodi da vuoto nelle endcaps
Per avere riflessione totale: smaltatura
Si evita di smaltare una faccia per avere linearità
3
ρ=8,28
g/cm
Λ=0,89 cm → con 23cm ho
25.8X → calorimetro piccolo
0
R =2,2 cm → buon
m
Nei dischi di chiusura è lineare perchè le facce del cristallo sono quasi parallele
contenimento laterale e alta
granularità
Tempo di decadimento della
scintillazione ≈ tempo di bunch
crossing
→ 80% luce emessa in 25ns
Più resistente alla rabiazione se
drogato con Nb

I cristalli hanno forma tronco-piramidale e sono montati in una geometria quasi
proiettiva di modo che i loro assi formano un angolo di 3° con la congiungente al
vertice di interazione nominale
3.2 EB(parte nel cilindro)
copre | η|

3.3Preshower
Vuole distinguere tra fotoni e pioni neutri (i pioni ad alte energie decadono in fotoni
molto rapidamente) e tra elettroni e particelle al MIP.
1,653

3.6 Fotodiodi / Fototriodi
Servono rivelatori:
●Veloci
● tolleranti alle radiazioni
●Che operino in una campo trasversale di 4T
Fototriodo a vuoto: bassa QE e guadagno (rispetto ai fotodiodi a valanga)
compensato dalla grossa copertura dietro i cristalli.
→

3.7 Fotodiodi a valanga (APD)
●Struttura inversa
● Ognuno ha area attiva di 5x5mm 2
●Un paio montati su ogni cristallo
●Con 6μm converto un segnale di 100MeV nel tungstato di piombo in 1MIP nel
diodo.
Per l'accettanza dell'ECAL ogni fotodiodo deve
essere totalmente svuotato.
Non deve mostrare rumore fino ad un guadagno
di 300
→ test: la corrente di buio con irradiazione di
adroni di 5kGy a 80°C per un mese, aumenta di
5μA ma le caratteristiche rimangono inalterate.
→ Le variazioni di guadagno cambiano
la risoluzione
Dato che il guadagno dipende dalla
tensione di alimentazione
stabilizzazione dell'alimentazione fino a
poche decine di mV
→

3.8 Fototriodi a vuoto
Fotomoltiplicatori con un singolo stage di guadagno
Anodo di una maglia di rame molto fine (passo di 10μm) → rende possibile il funzionamento
nel campo B
●Diametro: 25mm
●Area sensibile: 280mm 2
●Un fototriodo è incollato dietro ogni cristallo
●QE del fotocatodo: 22% a 430nm
●Guadagno medio di 10,2 a campo zero
→ risposta ridotta in un forte campo magnetico assiale
→ piccola variazione in risposta con l'angolo tra il campo e l'asse del triodo
Risposta in un campo di 4T con un angolo di
15° rispetto al campo è >90% di quella a
campo zero.
Fotoni prodotti dal fotocatodo
Accelerati in direzione dell'anodo a griglia
Molti la attraversano e colpiscono il dinodo
Moltiplicazione
Nuova accelerazione verso l'anodo
Per diminuire il rumore sono utilizzati filtri RC
In assenza di campo la sensibilità dell'anodo dipende anche dal rate degli eventi, ma in
presenza di un forte B l'effetto è quasi totalmente soppresso (grossi picchi a pochi kHz,
periodo di restoring di qualche giorno)
Tuttavia è stato introdotto un sistema di pulsaggio della luce per sicurezza.
→ crea un background a rate costante.
Le connessioni sono fatte con fibre ottiche in SiO 2 .

3.4 Raffredamento
Numero di fotoni emessi e amplificazione dei fotodiodi a valanga, dipendenti dalla
temperatura → T costante → raffreddamento con acqua a 18°C.
L'acqua passa su uno schermo termico davanti i cristalli e in tubi inseriti in una griglia
di alluminio → disaccoppiamento termale totale del calorimetro dal calore
dell'elettronica
Tubi distribuiscono l'acqua ad una serie di barre di raffreddamento in contatto con
l'elettronica di front end
3.5 Invecchiamento
La radiazione incidente provoca:
●Centri di colore → bande di assorbimento → perdita di luce dipendente dalla
lunghezza d'onda
→ controllato monitorando la trasparenza iniettando luce laser
→ equilibrio quando il raffreddamento a 18°C bilancia l'invecchiamento

4.0 Adronic Calorimeter
Serve a:
●misurare le energie e le direzioni delle particelle dei jet adronici
●stimare, insieme al calorimetro elettromagnetico, l'energia mancante degli eventi.
→buona ermeticità e una buona granularità trasversa
Inoltre buona risoluzione energetica e un sufficiente contenimento longitudinale degli sciami
adronici
La dimensione del barrel è limitata dal raggio esterno dell'ECAL (R=1,77m) e dal raggio interno
del solenoide (R=2,95m)
→ limitazione nella quantità di materiale che posso mettere nell'assorbitore delle cascate
adroniche.
→ utilizzato un tail catcher fuori dal solenoide

●un calorimetro centrale ( η

4.1.1 Scintillatori plastici
Stabilità per molto tempo e abbastanza resistenti alle radiazioni
Layer 0 davanti al supporto → deve campionare le cascate adroniche che si sviluppano
nel materiale inerte tra EB e HB
La luce da ogni piastrella è raccolta da cavi di 0,94mm di wavelenght- shifter
Le fibre sono duplicate in fibre ottiche → connessione ottica ad un decodificatore →
luce ad un fotodiodo ibrido
Le endcaps coprono quasi tutto il range
di rapidità.
Sono inserite alla fine del solenoide →
assorbitore in materiale non sensibile a B

4.2 Outer calorimeter (HO)
Utilizza il solenoide come un assorbitore.
Serve ad identificare le cascate che iniziano dopo e a misurare l'energia depositata
dopo l'HB.
Il giogo di ritorno del magnete è fatto di cinque anelli. Due strati di scintillatori si
trovano dai due lati dell'anello centrale.
Gli altri anelli hanno ognuno un singolo layer di scintillatori.

4.3 Forward Calorimeter (HF)
760 GeV per interazioni p-p depositati negli HF (100GeV nel resto del
calorimetro)
Energia con un massimo pronunciato ad alte rapidità.
Alto rate e livello di radiazioni → scelte fibre di quarzo come materiale attivo
Segnale generato quando particelle danno luce Cerenkov → più sensibile alla
parte elettromagnetica dello sciame
Assorbitore di ferro costituito da fogli di 5mm avvolti.
Le fibre sono inserite nell'avvolgimento.
Il detector funzionalmente si divide in due sezioni:
●Metà delle fibre sono su tutta la profondità
●Metà iniziano 22cm dopo
Le due parti sono lette separatamente
→ si distinguono gli sciami generati da fotoni O elettroni, che depositano quasi
tutta l'enercia nei primi 22cm, da quelli generati da adroni. (altrimenti in media
avrei lo stesso segnale).

5.0 Camere per muoni: Gas chambers
Dato il magnete solenoidale → camere cilindriche + 2 dischi alle estremità
25000m 2 di livelli di detector
Nella regione del barrel ho piccolo rate e il campo è solo nel giogo → camere a deriva
rettangolari standard.
5.1 Barrel
Rapidità