Lezione 19 Contatori Č erenkov
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Rivelatori di Particelle 1
Lezione 19Lezione 19 Contatori Contatori ČČerenkoverenkov
Contatori Contatori ČČerenkoverenkovRicordiamo:
1)(with1cos
nnnC
01 Cthr n soglia
n1arccosmax Angolo di saturazione (=1)
Numero di fotoni emessi per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda
.with 1
sin2112
2
2
2
22
2
222
22
constdxdENd
Ehcc
dxdNd
zn
zdxdNd
C
dN/d
dN/dE
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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
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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
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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 0.208isobutane 1.00127 2.89 0.941water 1.33 41.2 160.8quartz 1.46 46.7 196.4
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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
cz
dxdNd
2
2
22
sin2
12.. sin.).(370 cmEQdxdN
cep
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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.
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I contatori Čerenkov possono sfruttare:
Nph() : contatori a soglia (non misuro l’angolo di Cerenkov)
() : contatori differenziali e RICH
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222
22
111
11
pmn
nN
PM
particle
mirrorradiator medium
Principio di funzionamento
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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
11
22
22
2
n
n
22
421
22
422
21
22
2 11sincpcm
cpcm
c
QELmmpcN 2
1222
2
370
cmQEmmc
pNL
21
22
2
20
370
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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
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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
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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 AzotoCO2
1.00031.00045
k 1.0012 pentanopropano(2 atm)
1.00171.002
p 1.0044 Aerogel 1.025
C Ck Cp
■ ■ ■k □ ■ ■p □ □ ■
■ =1; □=0
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Un grosso Čerenkov
Sopra soglia per pioni e K di 6,10 e 14 GeV/c
Riempito di propano a pressione
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Il contatore più grande riempito di CO2 a pressione atmosferica,sopra soglia solo per pioni
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Example: study of an Aerogel threshold detector for the BELLE experiment at KEK (Japan)
Goal: /K separation
0 1 2 3 4 5 6pkaon [GeV/c]
0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1
ka
on ;
ligh
t yie
ld (a
.u.)
n=1.03
n=1.02
n=1.01
kaon k
aon
Aerogel = misture di Si02 e H20 con aria
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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
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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 ( ) )
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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
DELPHI Cosn tan
Se si raccolgono N fotoni
..
..
ep
ep
N
minimizzare
massimizzare Np.e.
Esempi di angoli
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Fino a quale impulso p due particelle di massa m1 ed m2 possono essere separate da un RICH con n
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Lezione 19Lezione 19 Contatori RICHContatori RICH
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
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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
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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
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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
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Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH Camere a fili
Fotocatodi a gas
fotocatodi solidi
Fotomoltiplicatori (multi-anodi), fotodiodi ibridi
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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
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Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH
Efficienza quantica di TMAE
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Efficienza quantica di TEA
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Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH
Le camere devono essere operate a basso guadagno G≈105
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Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH
Esempio : DELPHI
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Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH
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.
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Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH
fotomoltiplicatori, fotodiodi ibridi
Rivelatori di Particelle 34
Lezione 19Lezione 19 Fotorivelatori per RICHFotorivelatori per RICH
Materiali per radiatori e finestre.
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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).
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Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC
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Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC
Rivelatori di Particelle 38
Lezione 19Lezione 19 DIRCDIRC
Un disegno più chiaro del DIRC : una barretta di quarzo poco materiale davanti al calorimetro elettromagnetico.
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Rivelatori di Particelle 40
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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/dxTOF
TR
/K separatione± identification