Esame di: Rivelatori di particelle

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

1.0 Solenoide

Nuove caratteristiche:

✔

Quattro strati di solenoidi per avere 4T

✔

Cavi rutherford rivestiti con alluminio: possono essere messi direttamente in elio liquido

✔

Sforzo dato da:

✔

Pressione magnetica: P=B

/2μ

✔

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 | |>2.5η

Occupazione

✔ R<10cm uso i pixel (A=100x150μm² ) occupazione <1%→

✔ 20cm<R<550cm uso le strips occupazione 1% - 3%→

✔ Regione più esterna incremento il passo maggiore area da ricoprire e avrei → troppi canali di lettura.

✔La capacità aumenta con la lunghezza: er S/N>10 sensori al slicio di spessore → 500μm

Usura

Danni di bulk →

modifiche del reticolo

✔Modifiche drogaggio

✔Centri di cattura delgli e-

→ fughe di corrente

→ riscaldamento del sistema

→

2.1 Tracker layout

R= 4,4cm; 7,3cm; 10,2cm:

tre strati cilindrici di pixel circondano il punto di

interazione +2 moduli ai lati

Tracker Inner Barrel: 20cm<R<55cm.

4 strati nel cilindro (strip // al fascio) microstrip spessore 320μm.

Passi di 80μm nei primi due strati e 120μm nel 3 e nel 4.

TIB+TID 4 misure di r-→ Φ Tracker Inner Disks:

Radiali rispetto al fascio Spessore 320μm

Passo medio che varia tra 100 e 141μm

Tracker Out Barrel 55cm<R<116cm, -118cm<z<118 cm.

6strati di microstrip spesse 500μm.

Passo di 183μm nei primi 4 layers e

122μm dopo

6 misure di r- con Φ risoluzione 53

μm/35μm sul singolo punto

Tracker End Caps:

124cm<z<282cm e 22,5<R<113,5 6 dischi con 7 anelli di micro- strip al silicio (320μm nei primi 4 anelli, 500μm negli anelli 5-7).

Strip radiali con passo 37-184μm.

→ 9 misure r-Φ

→ i moduli dei primi due strati e anelli di TIB, TID e TOB e dli anelli 1, 2 e 5 dei TEC hanno un secondo detector a microstrip montate back to back con un angolo di 100mrad:

●Misura di R nei dischi

●Misura di z nel corpo

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_T/p_T dominata dalla

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 si riduce perchè ho η 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

●Risoluzione per piccoli parametri d'urto

→ ricostruzione vertci secondari

●-2,5< <2,5 matcha l'accettanza del η → tracciatore centrale

→ ricostruzione di b e , traccia τ iniziale del jet e trigger di alto livello

●3 strati nel cilindro (Bpix) con due dischi di di chiusura (Fpix)

●Pixel: forte silicio drogato n su substrato n ad alta resistenza.

●Giunzione p-n sul retro del sensore

2.4 Microstrip detectors

Gli elementi nel tracciatore sono microstrip con un solo lato sensibile p su drogaggio n

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 e H ZZ* 4e → γγ → → oppure ZZ* 2e + 2→ μ

. 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.

3.0 Electromagnetic Calorimeter

3.1 Scintillatore: Tungstato di piombo

=8,28 g/cm

ρ ³

=0,89 cm con 23cm ho

Λ →

25.8X₀→ calorimetro piccolo R_m=2,2 cm buon →

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

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

Nei dischi di chiusura è lineare perchè le facce del cristallo sono quasi parallele

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 | |<1,479.η

Granularità 360 e 2x85 in .Φ η

→ 61.200 cristalli

A valori di pseudorapidità maggiori di 2.5, il livello di radiazione e l'elevata molteplicità di particelle rendono impossibili misure di precisione.

I cristalli più vicini ai fasci si usano solamente per misurare l'energia trasversa dell'evento e congiuntamente al calorimetro adronico per ricostruire i jet.

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<| |<2.6 (corona circolare). Calorimetro a campionamento con due stratiη Campionatore di piombo e rivelatore a strisce di silicio

Rint=47,2cm Rext=1,23m

Piombo (2 e 1 X₀) sciami di fotoni ed elettroni→

Strisce di silicio energia depositata e profilo laterale sciami→

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 5x5mm²

●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: 280mm²

●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 SiO₂.

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

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

3.5 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 ( <3)η

●due calorimetri per alte rapidità (3< <5)η .

4.1 Calorimetro centrale (HB)

A campionamento: strati di rame (assorbitori), scintillatori plastici (materiale attivo).

Struttura a piastrelle(tile), parallele all'asse del fascio.

● una struttura cilindrica centrale ( <1,3η )

● due endcap (1.3 < η < 3)

● → 2593 torri di trigger

Ha una granularità di 0.087 x0:087 come ECAL

●profondità di circa 7 lunghezze di interazione

→ non sufficiente per avere contenimento longitudinale completo degli sciami adronici

→ strato ulteriore dietro al solenoide

→ 3 ulteriori e migliora del 10% la risoluzione energetica per pioni di 300 GeV.λ

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).

Dato il magnete solenoidale camere cilindriche + 2 dischi alle estremità→ 25000m² 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<1.2

4 stazioni intervallate dal giogo di ritorno del magnete (cilindri concentrici: i tre cilindri interni hanno 60 camere a deriva, l'ultimo 80.

172 000 fili, 12 piani di tubi a stazione, 195 000 tubi) Lunghezza=2.4m misura in r-→ Φ

Massimo path di deriva=21mm abbastanza piccolo da avere poca occupazione.→ Un drift tube è dato da 8 celle di deriva sfalzate di mezza cella.

Queste sono separate al meglio per avere la migliore risoluzione angolare

5.2 End-Cap regions:

Rate alti, fondo alto, campo magnetico grande e non uniforme cathod strips chambers → → misure precise ance con forte campo magnetico e alta molteplicità

Risposta molto veloce, alta segmentazione, resistenti alle radiazioni rapidità da 0.9 a 2.4→ Moduli di 6 strati di camere.

Le strip catodiche sono radiali e danno la misura in r- .Φ

I fili anodici sono perpendicolari alle strip e danno la misura della rapidità e del crossing time dei muoni.

+ sia nei barrel che nelle end-caps camere a piatti resistivi (RPC) che fanno da trigger (3ns).

5.0 Camere per muoni: Gas chambers