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Lezione 19 Contatori Č erenkov

Lezione 19 Contatori Č erenkov. Contatori Č erenkov Ricordiamo:. soglia. Angolo di saturazione ( b =1). Numero di fotoni emessi per unit à di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda. Lezione 19 Contatori Č erenkov. Lezione 19 Contatori Č erenkov.

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Lezione 19 Contatori Č erenkov

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Presentation Transcript

  1. Lezione 19Contatori Čerenkov Contatori Čerenkov Ricordiamo: soglia Angolo di saturazione (b=1) Numero di fotoni emessi per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda Rivelatori di Particelle

  2. Lezione 19Contatori Čerenkov Rivelatori di Particelle

  3. Lezione 19Contatori Čerenkov Ricordiamo inoltre che in un gas : n ~ 1+ hP (P = pressione) Rivelatori di Particelle

  4. Lezione 19Contatori Čerenkov 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) Rivelatori di Particelle

  5. Lezione 19Contatori Čerenkov 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 qc =30° ci attendiamo Np.e.=18 Rivelatori di Particelle

  6. Lezione 19Contatori Čerenkov 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 sEè connesso a DE: L’errore cromatico può essere ridotto solo riducendo DE o tramite complicate correzioni ottiche In pratica molti apparati sono dominati dall’errore cromatico. Rivelatori di Particelle

  7. Lezione 19Contatori Čerenkov I contatori Čerenkov possono sfruttare: • Nph(b) : contatori a soglia (non misuro l’angolo di Cerenkov) • q(b) : contatori differenziali e RICH Rivelatori di Particelle

  8. Lezione 19Contatori Čerenkov a soglia Principio di funzionamento Rivelatori di Particelle

  9. Lezione 19Contatori Čerenkov a soglia Consideriamo 2 particelle di masse m1ed 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 èQE Se N0èil numero di p.e. necessari per avere piena efficienza  Rivelatori di Particelle

  10. Lezione 19Contatori Čerenkov a soglia Esempio: k,p a p=10 GeV/c m1=494 MeV/c2; m2=938 MeV/c2; N0=10; QE=0.25  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 Rivelatori di Particelle

  11. Lezione 19Contatori Čerenkov a soglia In pratica se abbiamo un fascio non separato di p+, k+, p di impulso p=10 GeV/c usiamo più Čerenkov per poter identificare tutte le particelle. ■ =1; □=0 Rivelatori di Particelle

  12. Lezione 19Contatori Čerenkov a soglia Un grosso Čerenkov Sopra soglia per pioni e K di 6,10 e 14 GeV/c Riempito di propano a pressione Rivelatori di Particelle

  13. Lezione 19Contatori Čerenkov a soglia Il contatore più grande riempito di CO2 a pressione atmosferica,sopra soglia solo per pioni Rivelatori di Particelle

  14. Example: study of an Aerogel threshold detector for the BELLE experiment at KEK (Japan) Goal: p/K separation bkaon Lezione 19Contatori Čerenkov a soglia Aerogel = misture di Si02 e H20 con aria Rivelatori di Particelle

  15. Lezione 19Contatori Čerenkov a soglia Rivelatori di Particelle

  16. q Guida di luce in aria radiatore Fotomoltiplicatore Lezione 19Contatori Čerenkov 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 ) Principio di funzionamento specchio Accetta solo particelle in una finestra di velocità (b). Tutte le particelle che hanno una velocità > bmin=1/n sono sopra soglia. Al crescere di b 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(qt)=1/n) e siccome cosq=1/bn bmax=(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 Db/b~10-7 Rivelatori di Particelle

  17. Lezione 19Contatori differenziali Contatori differenziali e DISC ■solo particelle in una finestra di b. accettanza limitata ■Funzionano solo se le particelle incidenti sono // all’asse otticonon utilizzabili ai Collider ■ Prismi correggono le aberrazioni cromatiche ( n = n (l ) ) Rivelatori di Particelle

  18. . . . . . . . . . . . n = 1.28 C6F14 liquid DELPHI p/K p/K/p K/p n = 1.0018 C5F12 gas p/h p/K/p K/p Lezione 19Contatori RICH Ring Imaging Čerenkov Counters ( RICH ) I RICH misurano l’angolo qc intersecando il cono di luce Cerenkov con un piano fotosensibile. •  requires large area photosensitive detectors, e.g. • wire chambers with photosensitive detector gas • PMT arrays (J. Seguinot, T. Ypsilantis, NIM 142 (1977) 377) Esempi di angoli Cosq=1/bn  sb/b=tanq sq Se si raccolgono N fotoni   minimizzare sq  massimizzare Np.e. Rivelatori di Particelle

  19. Lezione 19Contatori RICH Fino a quale impulso p due particelle di massa m1 ed m2 possono essere separate da un RICH con ns? Rivelatori di Particelle

  20. DELPHI RICH 2 radiators + 1 photodetector spherical mirror A RICH with two radiators to cover a large momentum range. p/K/p separation 0.7 - 45 GeV/c: DELPHI and SLD C5F12 (40 cm, gas) C4F10 (50 cm, gas) Photodetector TMAE-based C6F14 (1 cm, liquid) (W. Adam et al. NIM A 371 (1996) 240) Lezione 19Contatori RICH Principio di operazione di un RICH Rivelatori di Particelle

  21. Lezione 19Contatori RICH Due modi per vedere l’angolo: • Nessuna focalizzazione La determinazione di qc richiede: • x,y,z del fotone • xe,ye,ze punto di emissione del fotone • direzione della particella qp,fp Rivelatori di Particelle

  22. Lezione 19Contatori RICH Sorgenti di errore: • Errori cromatici possono essere molto grandi quando siamo vicini all’angolo di riflessione totale. • Errore sul punto di emissione del fotone  si assume che viene dal centro del radiatore  va bene solo se il radiatore è sottile • Risoluzione spaziale del detector • Direzione della particella  normalmente i RICH non sono degli apparati solitari  il funzionamento del RICH dipende dalla qualità del tracciamento Rivelatori di Particelle

  23. Lezione 19Contatori RICH • Apparati 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=fqc=(RM/2)qc=RDqc b Rivelatori di Particelle

  24. Lezione 19Contatori RICH Fotorivelatori per RICH • Camere a fili • Fotocatodi a gas • fotocatodi solidi • Fotomoltiplicatori (multi-anodi), fotodiodi ibridi Rivelatori di Particelle

  25. Lezione 19Fotorivelatori 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 Rivelatori di Particelle

  26. Lezione 19Fotorivelatori per RICH Efficienza quantica di TMAE Rivelatori di Particelle

  27. Lezione 19Fotorivelatori per RICH Efficienza quantica di TEA Rivelatori di Particelle

  28. Lezione 19Fotorivelatori per RICH Le camere devono essere operate a basso guadagno G≈105 Rivelatori di Particelle

  29. Lezione 19Fotorivelatori per RICH Esempio : DELPHI Rivelatori di Particelle

  30. Lezione 19Fotorivelatori 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÷1011Wcm)  il catodo non si carica ad alto rate. Rivelatori di Particelle

  31. Lezione 19Fotorivelatori per RICH Rivelatori di Particelle

  32. Lezione 19Fotorivelatori per RICH Rivelatori di Particelle

  33. Lezione 19Fotorivelatori per RICH fotomoltiplicatori, fotodiodi ibridi Rivelatori di Particelle

  34. Lezione 19Fotorivelatori per RICH Materiali per radiatori e finestre. Rivelatori di Particelle

  35. Lezione 19DIRC DIRC = Detectorfor Internally Reflected Cerenkovlight Barre di quarzo  sia radiatore che guida di luce. Riflessione totale  angolo di riflessione totale q≥ 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). Rivelatori di Particelle

  36. Lezione 19DIRC Rivelatori di Particelle

  37. Lezione 19DIRC Rivelatori di Particelle

  38. Lezione 19DIRC Un disegno più chiaro del DIRC : una barretta di quarzo  poco materiale davanti al calorimetro elettromagnetico. Rivelatori di Particelle

  39. Lezione 19DIRC Rivelatori di Particelle

  40. Lezione 19DIRC Rivelatori di Particelle

  41. Lezione 19DIRC Rivelatori di Particelle

  42. e± identification p/Kseparation Lezione 19Identificazione di particelle Sommario • 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: Rivelatori di Particelle

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