(Alcune) Tecniche di rivelazione delle particelle.

Ettore SegretoIncontri di Fisica 2009

Laboratori Nazionali del Gran Sasso8 Ottobre 2009

Tutti i rivelatori di particelle si basano su di un principio (apparentemente) molto semplice: Il trasferimento di parte o tutta l’energia della particella alla massa sensibile (atomi, molecole) del rivelatore, dove questa viene trasformata in una forma più accessibile (carica, luce, calore…).

2Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Sensibilità di un rivelatoreSensibilità di un rivelatore

• La sensibilità è la capacità di un rivelatore di produrre un segnale utilizzabile quando viene attraversato da un certo tipo di radiazione con una certa energia. Fattori che determinano la sensibilità di un rivelatore sono:– Sezione d’urto (probabilità) per i processi di

interazione all’interno del rivelatore;– Massa del rivelatore;– Rumore intrinseco;– Materiale che riveste il rivelatore;

Capacità di produrre un segnale

Capacità di produrre un segnale

Livello minimo del segnaleLivello minimo del segnale

Energia minima rivelabileEnergia minima rivelabile

3Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Un rivelatore molto semplice…Un rivelatore molto semplice…La camera a ionizzazione.La camera misura la ionizzazione prodotta nel gas nobile dal passaggio di una particella carica.

Armature di un condensatoreArmature di un condensatore

Gas Nobile (Ar)

Le cariche di ionizzazione (sia positive che negative) derivano sotto l’azione del campo elettrico inducendo un segnale sul circuito esterno.

€

ΔV ∝Nq Segnale piccoloSegnale piccolo

4Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

…camere proporzionali…camere proporzionali

Camera proporzionale cilindrica.Condensatore cilindrico riempito da una miscela di gas in cui l’anodo centrale è un filo molto sottile ( R ~20÷100 μm). L’intnenso campo elettrico (~ ΔV/R) in prossimità del filo consente la moltiplicazione proprozionale della carica di ionizzazione (fatt. molt. ~ 104 ÷ 106).

Multiwire Proportional Chamber (MPC).Sono costituite da una successione di fili anodici in cui si ha moltiplicazione proporzionale, poste tra due piani catodici. Consentono la misurazione della posizione della traccia nel piano. Una coordinata è la posizione del filo, l’altra si ottiene con la lettura del segnale catodico.

5Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

…camere a proiezione temporale (TPC)

…camere a proiezione temporale (TPC)

AnodoAnodoCatodoCatodo

Campo elettrico

Moltiplicazione proporzionaleMoltiplicazione proporzionale Consentono la ricostruzione 3D della traccia ionizzante oltre che della ionizzazione prodotta (energia depositata).

Un CE è stabilito tra un catodo centrale ed il piano anodico costituito da una MPC. La camera tipicamente è riempita con un gas nobile (Ar). Gli e- prodotti dalla particella ionizzante al tempo T0 vengono fatti derivare verso il piano anodico con velocità costante dove vengono rivelati. La coordinata (di ogni segmento di traccia) lungo la direzione di deriva degli e- è data dalla velocità di deriva (nota) per il tempo intercorso tra la rivelazione e il T0. Le coordinate sul piano ortogonale sono determinate dalla MPC.

6Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

7Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

8

ICARUS T600 @ LNGS

Il Rivelatore ICARUS T600Il Rivelatore ICARUS T600

Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

9

July 24th, 2001 1

wire pitch

d

d

Drifting

Ionizing Track

e-

Electric Field

time

Screen Grid

InductionPlane

CollectionPlane

Charge

Induction wire Signal(schematic) Waveform

T0 TpeakLight Tdrift

PMT Signal

PMT

UV Light

ICARUS Event

Stopping and decay (3t prototype)

Amplifier

in Lar

E1

E2

E3

Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

10

LAr Cryostat (half-module)

20 m

4 m

4 m

View of the inner detector

The T600 Module during constructionThe T600 Module during construction

Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

11

Cosmic ray showers(T600)

Eventi SpettacolariEventi Spettacolari

Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

RIVELATORI A SCINTILLAZIONE

RIVELATORI A SCINTILLAZIONERIVELATORI A SCINTILLAZIONERIVELATORI A SCINTILLAZIONERIVELATORI A SCINTILLAZIONE

12Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Come è fatto un rivelatore a scintillazione?

Come è fatto un rivelatore a scintillazione?

Materiale Scintillatore

Guida di uce

Fotomoltiplicatore (PMT) 13Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Funzionamento dello ScintillatoreFunzionamento dello Scintillatore

Quando l'elettrone decade al livello che occupava prima dell'eccitazione emette un fotone di energia relativamente bassa, tipicamente nel visibile o nell’ultravioletto.Tale impulso di luce viene poi rivelato ed amplificato da opportuni sensori, ad esempio da un Fotomoltiplicatore.

Al proprio passaggio la particella incidente cede parte della propria energia allo scintillatore causando, ad esempio, l'eccitazione di un elettrone che si sposta in un livello ad energia superiore.

Materiale scintillante

Fotomoltiplicatore (PMT)

t

i

14Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Classificazione degli scintillatoriClassificazione degli scintillatori

Scintillatori Organici : strutture di anelli di benzene. La loro principale caratteristica è la rapidità nella risposta (pochi nsec). Vengono usati come cristalli puri, soluzioni liquide e soluzioni solide. Usati per neutroni.Cristalli Inorganici: cristalli al cui interno sono introdotte delle impurità che fungono da mezzo attivo (NaI(Tl) per es.). Maggiori pregi sono l’elevato potere frenante e l’elevata resa in luce. Usati per e-, γ. Scintillatori a Gas: tipicamente gas nobili (elio, argon, neon, xenon, kripton) miscelati con altri gas. Hanno una notevole resa in luce. Usati per α e nuclei. Scintillatori a Gas Nobili liquefatti: uniscono alla grande resa in luce un elevato potere frenante. 15Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Scintillatore CsI(Tl) Scintillatore NaI(Tl)

16Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Quali caratteristiche deve avere un materiale scintillante per essere un buon

rivelatore?

• Alta efficienza per la conversione energia ionizzazione/eccitazione in radiazione luminosa;

• Trasparenza alla propria radiazione luminosa;

• Emissione di luce con uno spettro compatibile con il PMT;

• Possibilmente breve costante di decadimento (~ nsec)

17Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

GUIDA DI LUCEGUIDA DI LUCE

La guida di luce permette di raccordare lo scintillatore con il PMSono principalmente di plexiglass e sfruttano per convogliare la luce il fenomeno della riflessione interna

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

1

2arcsinn

nLϑ

Per il vetro sono circa 42°

18Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Il Fotomoltiplicatore (PMT)Il Fotomoltiplicatore (PMT)

Il PMT è un dispositivo elettronico che converte un segnale luminoso in un segnale elettricoQuesto processo avviene principalmente attraverso due stadi

Conversione di un fotone in un elettrone per effetto fotoelettrico

Moltiplicazione del segnale elettrico iniziale

I PMT sono uno strumento lineare largamente utilizzato nella fisica nucleare ed astroparticellare, spesso abbinati agli scintillatori 19Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Schema delle componenti interne di un PMT

Schema delle componenti interne di un PMT

20Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Segnale di un PMTSegnale di un PMT

21Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

Rivelazione della materia oscura con la luce di scintillazione.

Rivelazione della materia oscura con la luce di scintillazione.

• Alcune osservazioni astronomiche (velocità di rotazione delle galassie, lensing gravitazionale) e misurazioni di precisione della radiazione cosmica di fondo e della distribuzione della materia dell’Universo accreditano l’ipotesi dell’esistenza della materia oscura;

• L’ipotesi più sostanziata e che la materia oscura sia costituita da materia non barionica (non ordinaria) nella forma di particelle massive ( ~100 volte la massa del protone) neutre che interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso l’interazione debole (WIMP –> Weakly Interacting Massive Particle);

• Le WIMPs costituirebbero un alone sferico statico che avvolge tutte le galassie e che rappresenterebbe la parte predominante della massa delle galassie stesse;

• La probabilità (sezione d’urto) che una WIMP interagisca con la materia ordinaria è prevista essere molto piccola per questo i rivelatori devono essere molto grandi ( ~ tonnellate di massa sensibile) e con una grande capacità di discriminare il fondo (elettroni, gamma, neutroni). L’energia dell’interazione è anch’essa molto piccola per questo i rivelatori debbono essere molto sensibili. 22Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

L’ESPERIMENTO WARP

23Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

WIMP Detection in WArP• Three simultaneous criteria to discriminate

potential WIMP recoils from backgrounds:1 Simultaneous detection of prompt scintillation

and drift time-delayed ionisation in Liquid Argon: pulse height ratio strongly dependent from

columnar recombination of ionizing tracks. 3D reconstruction of event position.

2 Pulse shape discrimination of primary scintillation: wide separation in rise times between fast (≈

10 ns) and slow (≈ 1.5 µs) components of the emitted UV light.

3 Precise 3D reconstruction of event position: Precise definition of fiducial volume; additional

rejection of multiple neutron recoils and gamma background

24

PMTs

Primary scintillation

Secondary scintillation

Interaction

Ionization electrons

PMTs

Primary scintillation

Secondary scintillation

Interaction

Ionization electrons

Double Phase Argon Chamber

Only detector with triple discrimination technology. Largest discrimination of /-induced backgrounds.

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Discrimination Technique

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S1 = primary (prompt) scintillation signal S2 = secondary (delayed) scintillation signal (proportional to ionization)

Minimum ionising particles (e-): high S2/S1 ratio (~100) + slow S1 signal. Nuclear recoils (eventually WIMPs): low (<30) S2/S1 + fast S1.

Argon recoilElectron(A) (B)S2S1

S2

S1

S1 S1

Drift time

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Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 26

Dimostrazione rivelatore a scintillazione

Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 27

GRAZIE DELL’ATTENZIONE!