rivelatori di particelle1 lezione 19 contatori Čerenkov contatori Čerenkov ricordiamo: soglia...

Rivelatori di Particelle 1

Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

Contatori Contatori ČČerenkoverenkov

Ricordiamo:1)(with

1cos

nn

nC

01

Cthr n soglia

n

1arccosmax Angolo di saturazione (=1)

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

.with 1

sin21

12

2

2

2

22

2

222

22

constdxdE

Nd

E

hcc

dxd

Nd

z

n

z

dxd

NdC

dN/d

dN/dE



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



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



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 0.208

isobutane 1.00127 2.89 0.941

water 1.33 41.2 160.8

quartz 1.46 46.7 196.4



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

c

z

dxd

Nd

2

2

22

sin2

12.. sin.).(370 cmEQdx

dNc

ep



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.



I contatori Čerenkov possono sfruttare:

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

() : contatori differenziali e RICH


Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkov a sogliaerenkov a soglia

222

22

11

1

11

pmn

nN

PM

particle

mirrorradiator medium

Principio di funzionamento



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

1

122

22

2

n

n

22

421

22

422

21

22

2 11sin

cp

cm

cp

cmc

QELmmp

cN 2

1222

2

370

cmQEmmc

pNL

21

22

2

20

370



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



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 Azoto

CO2

1.0003

1.00045

k 1.0012 pentano

propano

(2 atm)

1.0017

1.002

p 1.0044 Aerogel 1.025

C Ck Cp

■ ■ ■

k □ ■ ■

p □ □ ■■ =1; □=0



Un grosso Čerenkov

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

Riempito di propano a pressione



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



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

Goal: /K separation

0 1 2 3 4 5 6

pkaon [GeV/c]

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1

ka

on ;

lig

ht y

ield

(a.

u.)

n=1.03

n=1.02

n=1.01

kaon k

aon

Aerogel = misture di Si02 e H20 con aria


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


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 ( ) )


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

DELPHICosn tan

Se si raccolgono N fotoni

..

..

ep

ep

N

minimizzare

massimizzare Np.e.

Esempi di angoli



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



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



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



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



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



Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH

Camere a fili

Fotocatodi a gas

fotocatodi solidi

Fotomoltiplicatori (multi-anodi), fotodiodi ibridi


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



Efficienza quantica di TMAE



Efficienza quantica di TEA



Le camere devono essere operate a basso guadagno G≈105



Esempio : DELPHI



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.



fotomoltiplicatori, fotodiodi ibridi



Materiali per radiatori e finestre.


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).



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


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/dx

TOFTR

/K separation

e± identification

rivelatori di particelle1 lezione 19 contatori Čerenkov contatori Čerenkov ricordiamo: soglia...

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