1
Identificazione di particelleIdentificazione di particelleL’identificazione di particelle è un aspetto importante negli esperimenti di fisica delle alte energie.
Alcune importanti quantità fisiche sono accessibili soltanto con una sofisticata identificazione del tipo di particella: fisica del B, violazione di CP, decadimenti esclusivi e rari.
Generalmente si vuole discriminare: p/K, K/p, e/, /0 …..
Il metodo di identificazione usato dipende fortemente dalle energie implicate.
A seconda del particolare processo di fisica sotto studio bisogna ottimizzare o l’efficienza o la mis-identificazione:
2
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
DELPHIWhy particle ID ?
1 K + 2
in final state
Un decadimento del B
3
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
Who is who ?
RICH: contatori Cerenkov (misura di )
dE/dx : misura di
4
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
Per identificare una particella carica (massa e carica) dobbiamo usare 2 diversi dispositivi, in quanto dobbiamo determinare 2 quantità.
L’impulso della particella è, in generale, determinato dalla deflessione della particella in un campo magnetico.
Noto l’impulso e la carica devo eseguire un’altra misura per determinare la massa.
5
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
Metodi:
Tempo di voloTempo di volo
dE/dxdE/dx
Radiazione di transizioneRadiazione di transizione
ČČerenkoverenkov
p
p
6
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
Tempo di volo (TOF).Tempo di volo (TOF).Necessaria un’ottima risoluzione temporale ( 300ps sono facilmente raggiungibili con dei contatori a scintillazione).
Se 2 particelle di massa m1 ed m2 hanno lo stesso impulso e percorrono la stessa distanza L la differenza di tempo t1-t2=t sarà :
Si sono assunte particelle relativistiche ( E~pc ovvero mc2<<pc) e si è sviluppato in serie fermandosi al primo ordine.
start stop
22
212
2222
2221
21 2/1/1
11mm
p
Lcpcmpcm
c
L
c
Lt
7
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
usando scala logaritmica:
2
22
21 2
lnlnlnp
Lcmmt
t for L = 1 m di lunghezza di traccia
t = 300 ps/K separation up to 1 GeV/c (1)
8
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
CERN NA49 (Ioni Pesanti)
Ma NA49 ha anche delle TPC identificazione di particelle anche con dE/dx
NA49 combined particle ID: TOF + dE/dx (TPC)
9
• Uno dei più sofisticati rivelatori a ionizzazione è la Time Projection Chamber o TPC. Questo dispositivo è un rivelatore di tracce tridimensionale capace di fornire informazioni su diversi punti della traccia della particella insieme ad informazioni sulla perdita specifica di energia, dE/dx.
TPC
Le particelle passano attraverso il cilindro producendo elettroni liberi che derivano verso i terminali per essere poi rivelati dai fili-anodo. Una coordinata è data dalla posizione del filo colpito, mentre una seconda è ottenuta dal segnale indotto sui pad-catodo. La terza coordinata è invece data dal tempo di deriva degli elettroni di ionizzazione lungo l'asse del cilindro.
10
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
Esempio : TPC di ALEPH
Gas: Ar/CH4 90/10
Npunti=338, spaziatura dei fili 4mm
log scale !
11
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
dE/dxdE/dx
222
ln1
dx
dE
cmp 0 Con misure simultanee di p e dE/dx trovo la massa della particella e quindi identifico il tipo di particella.
Average energy loss for e,,,K,p in 80/20 Ar/CH4 (NTP)(J.N. Marx, Physics today, Oct.78)
/K separation (2) requires a dE/dx resolution of < 5%
e
p
K
p
K
p
K
Grosse fluttuazioni+ Grosse fluttuazioni+
code di Landaucode di Landau
La misura si esegue in un gas per ridurre l’effetto densità.
12
Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
dE/dx puo’ anche essere misurato con apparati al silicio
Esempio: Microvertice di DELPHI (4x300 m di silici)
13
Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
A transition radiation detector (TRD) is a particle detector utilizing the γ-dependent threshold of transition radiation in a stratified material.
It contains many layers of materials with different indices of refraction.
At each interface between materials, the probability of transition radiation increases with the relativistic gamma factor. Thus particles with large γ give off many photons, and small γ give off few.
For a given energy, this allows a discrimination between a lighter particle (which has a high γ and therefore radiates) and a heavier particle (which has a low γ and radiates much less).
14
Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
Ricordiamo:
Energia irraggiata per ogni superficie di separazione medium/vacuum
radiators) (plastic eV20 frequency
plasma
3
1
0
2
pe
ep
p
m
eN
WW
Numero di fotoni emessi per superficie di separazione è piccolo
137
1
W
N ph
Servono molte superfici di separazione costruire una pila di fogli separati da un sottile strato di aria
I raggi X sono emessi con un massimo a piccoli angoli1/la radiazionesta vicino alla traccia
15
Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
Spettro di emissione della radiazione
Energia tipica p 41 Fotoni di alcuni KeV
• Spettro di emissione (simulato) di un foglio di CH2
(Dai 3 ai 30 KeV)
16
Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
Contatori a radiazione di transizioneContatori a radiazione di transizione Radiatore:Radiatore:
il meglio è il Litio, ma fortemente igroscopico
Gruppi di fogli di CH2 sono i preferiti (basso costo, sicuri, facili da fare)
Materiale a basso Z piccolo riassorbimento (≈ Z5 )
R D R D R D
sandwich of radiator stacks and detectors
minimize re-absorption
20
Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
ATLAS Transition Radiation Tracker
A prototype
endcap “wheel”.
X-ray detector:straw tubes (4mm)
(in total ca.
400.000 !)
Xe based gas
21
Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
TRT protoype performance
Pion fake rate
at 90% electron
detection efficiency:
90 = 1.58 %