lezione 19 contatori Č erenkov

Rivelatori di Particelle 1

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

Contatori Contatori ČČerenkoverenkovRicordiamo:

1)(with1cos

nnnC

01 Cthr n soglia

n1arccosmax Angolo di saturazione (=1)

Numero di fotoni emessi per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda

.with 1

sin2112

2

2

2

22

2

222

22

constdxdENd

Ehcc

dxdNd

zn

zdxdNd

C

dN/d

dN/dE

Rivelatori di Particelle 2

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

materiale n-1 (soglia) (soglia)

Plexiglas (lucite) 0.48 0.66 1.33

Acqua 0.33 0.75 1.52

Aerogel 0.025-0.075 0.93-0.976 4.5-2.7

Pentano (STP) 1.7 x 10-3 0.9983 17.2

CO2 4.3 x 10-4 0.9996 34.1

H2 (STP) 1.4 x 10-4 0.99986 59.8

He (STP) 3.3 x 10-5 0.99997 123

Rivelatori di Particelle 3

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

Ricordiamo inoltre che in un gas : n ~ 1+P (P = pressione)

Gas x 10-4

H2 1.38

N 2.97

Etilene 7.2

CO2 4.5

Propano 10

Pentano 17

Rivelatori di Particelle 4

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

La perdita di energia per radiazione Čerenkov è piccola rispetto a quella dovuta all’ionizzazione (Bethe-Block) (~1%). Il numero di fotoni emessi è piccolo (vedi tabella)

medium n max (=1) Nph (eV-1 cm-1)

air 1.000283 1.36 0.208isobutane 1.00127 2.89 0.941water 1.33 41.2 160.8quartz 1.46 46.7 196.4

Rivelatori di Particelle 5

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

Il numero di foto-elettroni rivelabili per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda si ottiene integrando la:

sulle lunghezze d’onda del visibile (350-500 nm) ( dove il fotorivelatore è sensibile)

Esempio: per un apparato con Q.E.=0.2 lungo L=1cm e c =30° ci attendiamo

Np.e.=18

cz

dxdNd

2

2

22

sin2

12.. sin.).(370 cmEQdxdN

cep

Rivelatori di Particelle 6

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

In generale il radiatore ha una certa dispersione, cioè l’indice di rifrazione n = n(E) con dn/dE 0. Questo porta ad un errore cromatico

E è connesso a E:

L’errore cromatico può essere ridotto solo riducendo E o tramite complicate correzioni ottiche

In pratica molti apparati sono dominati dall’errore cromatico.

Rivelatori di Particelle 7

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

I contatori Čerenkov possono sfruttare:

Nph() : contatori a soglia (non misuro l’angolo di Cerenkov)

() : contatori differenziali e RICH

Rivelatori di Particelle 8

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

222

22

111

11

pmn

nN

PM

particle

mirrorradiator medium

Principio di funzionamento

Rivelatori di Particelle 9

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

Consideriamo 2 particelle di masse m1 ed m2 e con lo stesso impulso p. Per distinguerle in un Čerenkov a soglia è necessario che la particella più leggera (m1) emetta luce e l’altra no

( considerando la seconda a soglia)

Assumendo particelle relativistiche avrò:

Se il radiatore è lungo L e l’efficienza quantica del PM è QE Se N0 è il numero di p.e. necessari per avere piena efficienza

11

22

22

2

n

n

22

421

22

422

21

22

2 11sincpcm

cpcm

c

QELmmpcN 2

1222

2

370

cmQEmmc

pNL

21

22

2

20

370

Rivelatori di Particelle 10

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

Esempio: Esempio: k,p a p=10 GeV/c

m1=494 MeV/c2; m2=938 MeV/c2; N0=10; QE=0.25

cmcmL 171063625.0370

1010)(3

8

L’indice di rifrazione deve essere scelto in modo da essere esattamente a soglia per i p (o appena sotto-soglia) cioè n=E/p=1.0044

e.g. pentano a pressione

Rivelatori di Particelle 11

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

In pratica se abbiamo un fascio non separato di +, k+, p di impulso p=10 GeV/c usiamo più Čerenkov per poter identificare tutte le particelle.

part. n soglia Radiat. n Radiat

1.0001 AzotoCO2

1.00031.00045

k 1.0012 pentanopropano(2 atm)

1.00171.002

p 1.0044 Aerogel 1.025

C Ck Cp

■ ■ ■k □ ■ ■p □ □ ■

■ =1; □=0

Rivelatori di Particelle 12

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

Un grosso Čerenkov

Sopra soglia per pioni e K di 6,10 e 14 GeV/c

Riempito di propano a pressione

Rivelatori di Particelle 13

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

Il contatore più grande riempito di CO2 a pressione atmosferica,sopra soglia solo per pioni

Rivelatori di Particelle 14

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

Example: study of an Aerogel threshold detector for the BELLE experiment at KEK (Japan)

Goal: /K separation

0 1 2 3 4 5 6pkaon [GeV/c]

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1

ka

on ;

ligh

t yie

ld (a

.u.)

n=1.03

n=1.02

n=1.01

kaon k

aon

Aerogel = misture di Si02 e H20 con aria

Rivelatori di Particelle 15

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

Rivelatori di Particelle 16

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov differenzialierenkov differenziali

Attenzione al di sopra di 20-30 GeV, se non voglio avere dei Čerenkov troppo lunghi, conviene misurare l’angolo di Čerenkov.

Contatori differenziali o DISC (una via di mezzo fra contatori a soglia e per la misura dell’angolo )

specchio

Guida di luce in aria

Fotomoltiplicatore

radiatore

Principio di funzionamentoPrincipio di funzionamento

Accetta solo particelle in una finestra di velocità (). Tutte le particelle che hanno una velocità > min=1/n sono sopra soglia. Al crescere di aumenta l’angolo di Čerenkov fino a raggiungere l’angolo di riflessione totale la luce non entra nella guida di luce.

L’angolo di riflessione totale può essere calcolato dalla legge di Snell (sin(t)=1/n) e siccome cos=1/n max=(n2-1)-1/2. solo particelle in una finestra di velocità possono essere rivelate (piccola accettanza).

Se il DISC è ottimizzato otticamente (e.g. con dei prismi per le aberrazioni cromatiche) si possono ottenere /~10-7

Rivelatori di Particelle 17

Lezione 19Lezione 19 Contatori differenzialiContatori differenziali

Contatori differenziali e DISCContatori differenziali e DISC

■ solo particelle in una finestra di . accettanza limitata■ Funzionano solo se le particelle incidenti sono // all’asse ottico non utilizzabili ai Collider■ Prismi correggono le aberrazioni cromatiche ( n = n ( ) )

Rivelatori di Particelle 18

Lezione 19Lezione 19 Contatori RICHContatori RICH

Ring Imaging Ring Imaging ČČerenkov Counters ( RICH )erenkov Counters ( RICH )I RICH misurano l’angolo c intersecando il cono di luce Cerenkov con un piano fotosensibile.

.. . . .... . ..(J. Seguinot, T. Ypsilantis, NIM 142 (1977) 377)

requires large area photosensitive detectors, e.g.• wire chambers with photosensitive detector gas• PMT arrays

n = 1.28C6F14 liquid

n = 1.0018C5F12 gas

/K /K/p K/p

/h /K/p K/p

DELPHI Cosn tan

Se si raccolgono N fotoni

..

..

ep

ep

N

minimizzare

massimizzare Np.e.

Esempi di angoli

Rivelatori di Particelle 19

Lezione 19Lezione 19 Contatori RICHContatori RICH

Fino a quale impulso p due particelle di massa m1 ed m2 possono essere separate da un RICH con n

Rivelatori di Particelle 20

Lezione 19Lezione 19 Contatori RICHContatori RICH

Principio di operazione di un RICHPrincipio di operazione di un RICH

A RICH with two radiators to cover a large momentum range. /K/p separation 0.7 - 45 GeV/c:DELPHI and SLD

(W. Adam et al. NIM A 371 (1996) 240)

2 radiators + 1 photodetector

C6F14 (1 cm, liquid)

C5F12 (40 cm, gas)C4F10 (50 cm, gas)

spherical mirror

PhotodetectorTMAE-based

DELPHI RICH

Rivelatori di Particelle 21

Lezione 19Lezione 19 Contatori RICHContatori RICH

Due modi per vedere l’angolo:

Nessuna focalizzazioneNessuna focalizzazione

La determinazione di c richiede:

x,y,z del fotone

xe,ye,ze punto di emissione del fotone

direzione della particella p,p

Rivelatori di Particelle 22

Lezione 19Lezione 19 Contatori RICHContatori RICH

Sorgenti di errore:

1. Errori cromatici

possono essere molto grandi quando siamo vicini all’angolo di riflessione totale.

2. Errore sul punto di emissione del fotone

si assume che viene dal centro del radiatore va bene solo se il radiatore è sottile

3. Risoluzione spaziale del detector

4. Direzione della particella

normalmente i RICH non sono degli apparati solitari

il funzionamento del RICH dipende dalla qualità del tracciamento

Rivelatori di Particelle 23

Lezione 19Lezione 19 Contatori RICHContatori RICH

Apparati focalizzantiApparati focalizzanti

Il sistema funziona bene solo per piccoli parametri d’impatto xi<<RM e piccoli angoli di Čerenkov. Inoltre apparati piatti sono più facili da costruire.

L’ errore sull’angolo di emissione del fotone è ridotto (di molto) possibile costruire radiatori lunghi (ed avere quindi più fotoni)

Lunghezza focale di uno specchio sferico f=RM/2=RD.

Raggio cerchio Čerenkov r=fc=(RM/2)c=RDc

Rivelatori di Particelle 24

Lezione 19Lezione 19 Contatori RICHContatori RICH

Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH Camere a fili

Fotocatodi a gas

fotocatodi solidi

Fotomoltiplicatori (multi-anodi), fotodiodi ibridi

Rivelatori di Particelle 25

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Fotocatodi Gassosi

La maggioranza degli esperimenti usano TMAE.ma: Bassa tensione di vapore. TMAE (e l’intero apparato) devono essere scaldati per

ottenere una lunghezza di assorbimento lph accettabile.

Esempio DELPHI: TTMAE=28 °C lph ≈ 16 mm

È stato dimostrato che TEA funziona.DMA e TMA poco attrattivi perché hanno alte soglie EI

Rivelatori di Particelle 26

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Efficienza quantica di TMAE

Rivelatori di Particelle 27

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Efficienza quantica di TEA

Rivelatori di Particelle 28

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Le camere devono essere operate a basso guadagno G≈105

Rivelatori di Particelle 29

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Esempio : DELPHI

Rivelatori di Particelle 30

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Fotocatodi solidi

Cercare fotocatodi con bassa soglia, alta QE, e che funzionino in un gas a pressione atmosferica.

Al momento attuale CsI sembra il miglior candidato. Infatti:

▲ soglia 6 eV ≈ 210 nm

▲ alta QE quasi come TMAE

▲ preparazione relativamente facile deposizione sotto vuoto)

▲ stabilità ragionevole in aria

▲ resistività relativamente bassa (1010÷1011 cm) il catodo non si carica ad alto rate.

Rivelatori di Particelle 31

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Rivelatori di Particelle 32

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Rivelatori di Particelle 33

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

fotomoltiplicatori, fotodiodi ibridi

Rivelatori di Particelle 34

Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Materiali per radiatori e finestre.

Rivelatori di Particelle 35

Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC

DIRC = DDIRC = Detector for I Internally R Reflected C Cerenkov light

Barre di quarzo sia radiatore che guida di luce.

Riflessione totale angolo di riflessione totale ≥ 40°

nei RICH devo avere traccia incidente ┴ all’asse focale degli specchi, nel DIRC la quantità di luce riflessa aumenta con l’aumentare dell’angolo di incidenza buono per piccolo angolo di incidenza ( tracce praticamente // alle barre).

Rivelatori di Particelle 36

Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC

Rivelatori di Particelle 37

Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC

Rivelatori di Particelle 38

Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC

Un disegno più chiaro del DIRC : una barretta di quarzo poco materiale davanti al calorimetro elettromagnetico.

Rivelatori di Particelle 39

Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC

Rivelatori di Particelle 40

Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC

Rivelatori di Particelle 41

Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC

Rivelatori di Particelle 42

Lezione 19Lezione 19 Identificazione di particelleIdentificazione di particelle

SommarioSommario Vari metodi disponibili per identificare le particelle in un ampio intervallo

d’impulsi.

A seconda dello spazio disponibile, la potenza del metodo d’identificazione può variare significativamente.

Un plot molto rozzo:

p [GeV/c]10-1 100 101 102 103 104

RICHdE/dxTOF

TR

/K separatione± identification