aujourd'hui détecteurs de trace vus détecteurs de neutres
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1Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Détecteurs de trace vus
Détecteurs de neutres
Concevoir un détecteur global
Aujourd'hui
Détecteurspartie II
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2Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Calorimètres
voir http://llr.in2p3.fr/~videau/Ecole_de_Monschau
Voir les neutres:
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3Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Les buts de la calorimètrie
Mesurer les neutres
électromagnétique : γ hadronique : neutrons, K0
l
Mesurer l'énergie des électrons
Identifier les leptons, électrons et muons, taus
Mesurer l'énergie des hadrons chargés
L'énergie d'un muon n'est connue que par le trajectomètreUA2 D0
Mesurer les jets "energy flow"Global method / analytic
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4Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Le principe
γ : conversion en paire par interaction électromagnétique
Hadrons neutres : interaction forteNeutrinos : interaction faible (courant chargé)
On doit fournirmatière avec laquelle interagir (radiateur)un milieu sensible aux traces chargées (détecteur)
Radiateur et détecteur peuvent être le même milieu:
calorimètre homogèneRadiateur et détecteur peuvent être entrelacés,
calorimètre à échantillonage
Puis on mesure les traces chargées
Pour mesurer un neutre convertissons le en chargé
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5Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Les neutres..
on les transforme en chargés
Conversiond'un photonsur le détecteurde vertex.ALEPH
Le cas le plus simple: une paroi suivie d'un détecteur de chargés dans un champ magnétique
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6Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
ALEPH
Ks0 K
L0
1 trace issue du point d'interaction1 vertex de désintégration K0
s
3 traces se propageant dans la TPCinteractions dans le calo elmgninteraction en arbre dans le HCAL K0
L
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7Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
ILC. Détecteur LDCe e− Z H
Z
Hbb
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8Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Dépôt d'énergie par des photons
Section efficace des photons en fonctionde leur énergie
seuil de créationde paires: 2 x 511 keV
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9Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Calorimètres
électromagnétiques
Principe
Principaux processus dans une gerbe électromagnétique
Bremsstrahlung Création de pairesMais aussi
A basse énergie (< 2 GeV )
Compton
Effet photoélectrique
A haute énergie au niveau de 10-4
Création de paires de muonsde paires de pions
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10Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Notion de longueur de radiation, et de longueur d'interactionDans un domaine d'énergie, la probabilité d'interaction dans un intervalle dx donnéest essentiellement indépendante de l'énergie (loi exponentielle), on peut donc définir la longueur caractéristique d'interaction
Contribution to the cross section γ Carbon in barns/atom π+ p and π- p cross sections
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11Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Extrait de Rossi
Electron showering on lead platesin a Wilson chamber (1949)
Calorimètres
Electron gerbant sur des plaquesde plomb dans une chambre deWilson (1949)
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12Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
ALEPH
Profil en profondeurde l'énergie déposée par un électron de 45 GeV.
Un électron de 45 GEV
Paramétrage:
ze− z
Energie déposéedans chacune des 45 couchesactives du calorimètreélectromagnétique.
Caractérisation longitudinale de la gerbelongueur de radiation
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13Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Caractérisation transverse de la gerberayon de Molière
La structure transverse est indépendante de l'énergie
Rayon de Molière: rayon du cylindre contenant 90% de l'énergie.varie comme l'inverse de la densité
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14Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Calorimètres
hadroniques
Processus beaucoup plus complexes
Source principale de fluctuation:réponse différente
aux particules électromagnétiques, γ, eet aux particules hadroniques, p, K, π
fraction de π0 (e/h)
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15Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Comment on estime l'énergie:
en décomptant la longueur de trace chargée générée
EE =
E
Processus stochastique: N=N Termes:γ intercalibrationα stochastiqueβ bruit
estimée, échantillonée par le nombre de photons
ou d'électronsproduits
EE
= ⊕
E⊕
E
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16Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Différents types de calorimètresHomogènes /hétérogènes ou "à échantillonage"
mesure par
ScintillationCerenkov
collection de lumière collection d'électrons (trous)Ionisation
création de paires e-h
Cristaux Na I, Cs I, BGO, PbWO4
Gaz nobles (liq)
Verre au plombEauAir
GazGaz nobles (liq)
Ge
Calorimètressuite
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17Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Calorimètres à échantillonage(sampling)
Radiateurs pour l'électromagnétique (Z élevé):
Plomb Pb, Uranium U, Tungstène W
attention aux propriétés physiques mais aussi mécaniques !
Détecteurs similaires pour les deux: scintillateurs,
lumière Cerenkov (H1 lumi), chambres à ionisation, argon liquide, liquides chauds,
chambres à gaz en différents modes (prop, streamer, Geiger), détecteurs silicium.
pour l'hadronique (bon marché, bon mécaniquement)fer (retour de champ), inox (dans un champ), cuivre plomb, tungstène, uranium?
Calorimètressuite
h/e
l'énergie hadronique échappesous forme de fission de noyaux,neutrons de basse énergie
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18Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Material Z λI
dE/dx density X0
cm MeV/cm g/cm3 cmIron Fe 26 16.8 11.4 7.87 1.76Tantalum Ta 73 11.9 16.7 0.41Tungsten W 74 9.6 22.1 19.3 0.35Lead Pb 82 17.1 12.7 11.35 0.56Uranium U 92 10.5 20.5 19. 0.32
Argon (liq) A 18 83.7 2.13 1.4 14.Air 74380 2.2 10-3 1.21 10-3 30300Silicium Si 14 45.5 3.87 2.33 9.36
Forte dépendance avec la densité
Propriétés physiques des radiateurs
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19Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Propriétés physiques des radiateurs
Material Z λI /X
0dE/dx × X
0X
0
MeV cmIron Fe 26 9.5 20.1 1.76Tungsten W 74 27.4 7.7 0.35Lead Pb 82 30.5 7.1 0.56Uranium U 92 32.8 6.7 0.32
Argon (liq) A 18 6.0 29.8 14.Air 2.5 66.7 30300Silicium Si 14 4.86 36.2 9.36
Remarks:strong dependence on density (obvious)energy loss in one interaction length almost constantlarge variations of dE/dx in one radiation length large variations of λ
Ι / X
0 with Z
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20Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Gas / scintillator as detecting medium10 GeV electrons electron hit cells positron hit cells
Geant4 simulation
Gas
Scintillator
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21Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Performances
Résolution en énergie
Précision en position
Précision angulaire
Séparation entre gerbes
Electron/pion identification
Muon/pion identification
Dommages dus aux radiations
Et ce pour photons, hadrons, jetsisolés, en jets
LinéaritéOrigine des fluctuations
Calorimètressuite
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22Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Luminomètre de H1
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23Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Examples of large calorimeters
Low energy machines CLEO, BaBar crystal Cs I, ∼ no HCAL
Tevatron D0 U-liq. A CDF scintillator
CMS PbWO4, Fe-scintillatorLHCATLAS Pb-liq. A, Fe-scintillator
LEPOPAL lead glass, Fe-w.ch. L3 BGOALEPH, DELPHI Pb/Fe-wire chambers sandwich
SLC SLD Pb/Fe-liq.A
HERA H1 Pb/Fe-liq.A ZEUS U-scint.
Calorimètressuite
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24Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Un calorimètre W-Si pour un collisioneur linéaire à électrons
De nombreux jets de particules serrées ⇒forte densité du calorimètre ⇒
radiateur dense W, détecteur compact Si
Motif
Détecteur silicium (semiconducteur)L'énergie déposée par la charge crée des pairesélectron-trou qui dérivent dans le champ électrique
he+
−
Principe
Le calorimètre est mince: 24X
0 pour ~20 cm en 40 couches
Les gerbes sont étroites RM ~ 1cm
On peut intégrer beaucoup de canaux de lecture, 32M
extrême granularité
Très bonne efficacité de reconstructiondes photons dans un environnement chargé
Les détecteurs au Si sont compacts:car ~ 100 paires par µ épaisseur ~ 500 µ 50000 paires
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25Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Concevoir un détecteur
à une certaine physique
sur un certain accélérateur/collisionneure+e- , pp ?
Comme un tout adapté
Identifier les spécifications et contraintes provenant de
La physique,la technologie,
les ressources disponiblesla sociologie,
la politique.
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26Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Cinématique des collisions
faisceaux de même nature (particules ou antiparticules)? pp ou ee versus ep
faisceaux de même énergie?collisions bille en tête ou à petit angle?
collisionneur circulaire ou linéaire?si collisions entre antiparticules
partons?
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27Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Cinématique des collisions
BaBar, énergies des faisceauxdifférentes pour voir le vertex
des B.
dans le CM, LEPe e− f f
dd cos
∝ 1cos2
e e−bbcollisionneurs circulaires e+ e-
énergies de faisceaux égales
la longueur du vecteur est proportionnelle à la section efficace
détecteur « symétrique » en phi et en z
détecteur asymétrique en z
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28Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Collisions p p
Les protons sont composites: quarks + gluons = partonsLe laboratoire n'est pas le CM de l'interaction
Les partons ont une certaine distribution en impulsion
Distribution de l'impulsion du CM
Pour le détecteur, la multiplicité de traces est largement plate en rapidité
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29Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Significationmouvement de l'origine du système ' dans le laboratoire :
dans le système ' :
⇒ et par définition et
RapiditéConserver ⇒ =
η est la rapidité
Additivité des rapidités
=
z2 −t2 cosh −sinh −sinh cosh t '
z ' tz
cosh 1 −sinh 1−sinh 1 cosh 1 cosh 2 −sinh 2
−sinh 2 cosh 2 cosh 1 2 −sinh 1 2−sinh 1 2 cosh 1 2
z= tz '=0 =cosh z−sinh t
=th=ch = 1
1 − ² =sh =
1 − ²
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30Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Passage dans le système où une particule de masse et vitesse est au repos
E , p
m ,
Son quadrivecteur énergie-impulsion est
avec p=m , E=m
On passe dans le système où elle est au repos par une transformation de Lorentz de paramètres
= pE , = E
m , = pm
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31Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
On considère souvent la transformation selon l'axe Ozqui fait passer dans le système où la projection de l'impulsionde la particule sur Oz s'annule
La rapidité de cette transformation couramment notée « y »est appelée rapidité de la particule: y=th−1 z
Dans un « boost » le long de Oz, la rapidité des particules est translatéepar la rapidité du boost (additivité des rapidités).La distribution en rapidité est donc invariante dans un boost.
Si la masse est négligeable
y=th−1 pz
p =th−1 cos=ln tg 2
dy= 1 sin
d
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32Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
En collisions ppdistribution plate avecla pseudo-rapidité
Cinématique des collisions
To match well the transverse sizeof the cells to the shower
In φ, take a constant dφ
In θ, take a constant ε
Recalling that the rapidity y is such that:
Constant rapidity intervals
Crystals Towers
= Rsin
d
cos=tanh y
=d y
zk=sinh k y0
Cells in the barrel for a projective geometry
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33Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
ALEPHun détecteurdu LEP
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34Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Collisionse± p30 GeV / 800
Un détecteur asymétrique: H1
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35Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Concevoir un détecteur
Schéma classique pour un collisionneur
Un oignon centré sur le point de collision
baigné dans un champ magnétique axial (solénoïde)
Détecteur de traces
Détecteur de vertex siliciumDétecteur central gaz silicium
Calorimètre
ElectromagnétiqueHadronique
Chambres à muons
Bobine, valeur du champ, 1-4Tforme, solénoïde?
longueur, rayon
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36Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Une symétrie de révolution:un baril et deux bouchonsbrisée sur une symétried'ordre 6, 8 ou 12
TESLA Conceptual drawing
Yoke 4T Coil HCAL
ECAL TPC
Masks
IT
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37Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
ALEPHun détecteurdu LEP
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38Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Au centre les détecteurs de traces chargées
Tube à vide: 1 à 2 cm de rayon (bdf)Détecteur de vertex au plus près
excellente résolution ~10µquelques couches de Si
Large détecteur de tracesmesure de l'impulsion, pattern
points nombreux / précis (100µ)Un intermédiaire possible
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39Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
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40Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
ALEPHdétecteur de vertexintermédiaireTPC
Remarque: K0s
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41Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Autour du trajectomètrele calorimètre
Où placer la bobine?
Retour de champdétecteur à muons?
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42Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
ALEPHPion traversantle ECALpour interagirdans le HCAL
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43Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
e e− W W−
W− qq
W e
q jets
ALEPH
Jets
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44Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Jets à l'ILC
Large Detector Concept
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45Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Pour une présentation plus complète: http://polywww.in2p3.fr/~videau/Lineaire/event_gallery/
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46Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
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47Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
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48Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Vue de CMS
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49Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Un détecteur pour l'ILC
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50Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Un détecteur pour l'ILC
ILC :InternationalLinear Collider
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51Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Retour de champdétecteur de mus
Bobine 4TPôleBouchon HcalBaril HcalBouchon EcalBaril Ecal
Mise en place de la coquille calorimétrique
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52Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Détecteurs de trace
Forward chambersTPCSITForward disksDétecteur de vertexTube à vide
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53Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
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54Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
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55Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Fin des détecteurs
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56Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Un beau plot d'événement d'ALEPH
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57Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Collisionse± p30 GeV / 800
Un détecteur asymétrique: H1