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Lezione 18 Identificazione di particelle

Lezione 18 Identificazione di particelle. L’identificazione di particelle è un aspetto importante negli esperimenti di fisica delle alte energie.

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Lezione 18 Identificazione di particelle

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Presentation Transcript

  1. Lezione 18Identificazione di particelle L’identificazione di particelle è un aspetto importante negli esperimenti di fisica delle alte energie. Alcune importanti quantità fisiche sono accessibili soltanto con una sofisticata identificazione del tipo di particella: fisica del B, violazione di CP, decadimenti esclusivi e rari. Generalmente si vuole discriminare: p/K, K/p, e/p, g/p0 ….. Il metodo di identificazione usato dipende fortemente dalle energie implicate. A seconda del particolare processo di fisica sotto studio bisogna ottimizzare o l’efficienza o la mis-identificazione:

  2. Lezione 18Identificazione di particelle Why particle ID ? DELPHI Un decadimento del B 1 K + 2 p in final state

  3. Lezione 18Identificazione di particelle Who is who ? dE/dx :misura dig RICH: contatori Cerenkov (misura di b)

  4. Lezione 18Identificazione di particelle Per identificare una particella carica (massa e carica) dobbiamo usare 2 diversi dispositivi, in quanto dobbiamo determinare 2 quantità. L’impulso della particella è, in generale, determinato dalla deflessione della particella in un campo magnetico. Noto l’impulso e la carica devo eseguire un’altra misura per determinare la massa.

  5. p p K K p p m m Lezione 18Identificazione di particelle Metodi: • Tempo di volo • dE/dx • Radiazione di transizione • Čerenkov

  6. start stop Lezione 18Identificazione di particelle Tempo di volo (TOF). Necessaria un’ottima risoluzione temporale ( 300ps sono facilmente raggiungibili con dei contatori a scintillazione). Se 2 particelle di massa m1 ed m2 hanno lo stesso impulso e percorrono la stessa distanza L la differenza di tempo t1-t2=Dt sarà : Si sono assunte particelle relativistiche ( E~pc ovvero mc2<<pc) e si è sviluppato in serie fermandosi al primo ordine.

  7. Lezione 18Identificazione di particelle usando scala logaritmica: Dt for L = 1 m di lunghezza di traccia con L=3m e separazione di 4s separazione p/k fino a 1 GeV/c. (st = 300 ps) st = 300 ps p/K separation up to 1 GeV/c (1s)

  8. Lezione 18Identificazione di particelle Esempio: CERN NA49 (Ioni Pesanti) detail of the grid TOF requires fast detectors (plastic scintillator, gaseous detectors), approporiate signal processing (constant fraction discrimination), corrections + continuous stability monitoring. Small, but thick scint. 8 x 3.3 x 2.3 cm Long scint. (48 or 130 cm), read out on both sides

  9. L = 15 m Trel. = T / Tp Lezione 18Identificazione di particelle From g conversion in scintillators System resolution of the tile stack CERN NA49 (Ioni Pesanti)

  10. Lezione 18Identificazione di particelle CERN NA49 (Ioni Pesanti) Ma NA49 ha anche delle TPC identificazione di particelle anche con dE/dx NA49 combined particle ID: TOF + dE/dx (TPC)

  11. Con misure simultanee di p e dE/dx trovo la massa della particella e quindi identifico il tipo di particella. Lezione 18Identificazione di particelle dE/dx e p/K separation (2s) requires a dE/dx resolution of < 5% m m m p p p Grosse fluttuazioni+ code di Landau K K K Average energy loss for e,m,p,K,p in 80/20 Ar/CH4 (NTP) (J.N. Marx, Physics today, Oct.78) p p p La misura si esegue in un gas per ridurre l’effetto densità.

  12. calcolare media troncata,cioè ignora i campioni con conteggi troppo elevati (e.g. 40%) aumentare la pressione del gas,ma attenzione effetto densità. Lezione 18Identificazione di particelle • Chose gas with high specific ionization • Divide detector length L in N gaps of thickness T. • Sample dE/dx N times 1 wire 4 wires (B. Adeva et al., NIM A 290 (1990) 115) L: most likely energy loss A: average energy loss (M. Aderholz, NIM A 118 (1974), 419) Don’t cut the track into too many slices ! There is an optimum for each total detector length L.

  13. log scale ! Lezione 18Identificazione di particelle Esempio : TPC di ALEPH Gas: Ar/CH4 90/10 Npunti=338, spaziatura dei fili 4mm Risoluzione di dE/dx: 4.5% per i Bhabha, 5% per i MIP.

  14. Lezione 18Identificazione di particelle dE/dx puo’ anche essere misurato con apparati al silicio Esempio: Microvertice di DELPHI (4x300 mm di silici)

  15. Lezione 18Identificazione di particelle

  16. Lezione 18Identificazione di particelle Conteggio dei cluster Vantaggio: i cluster fluttuano alla Poisson

  17. Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD) Ricordiamo: Energia irraggiata per ogni superficie di separazione medium/vacuum Numero di fotoni emessi per superficie di separazione è piccolo • Servono molte superfici di separazione  costruire una pila di fogli separati da un sottile strato di aria I raggi X sono emessi con un massimo a piccoli angoli q1/g  la radiazionesta vicino alla traccia

  18. Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD) • Spettro di emissione della radiazione Energia tipica (Dai 3 ai 30 KeV)  Fotoni di alcuni KeV • Spettro di emissione (simulato) di un foglio di CH2

  19. R D R D R D sandwich of radiator stacks and detectors minimize re-absorption Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD) Contatori a radiazione di transizione • Radiatore: • il meglio è il Litio, ma fortemente igroscopico • Gruppi di fogli di CH2 sono i preferiti (basso costo, sicuri, facili da fare) Materiale a basso Z piccolo riassorbimento (≈Z5)

  20. Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD) zona di formazione Neff Parte della radiazione è riassorbita il numero di fogli èlimitato basso Z  minore riassorbimento. (fogli di litio o berillio) Spessore dei fogli di CH2 ~20 mm (zona di formazione). Le gap di aria devono essere ~ 1mm. Se i fogli e le gap sono << della lunghezza di formazione  segnale fortemente diminuito per effetti di interferenza

  21. Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD)

  22. Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD) • Detector

  23. Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD)

  24. Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD) Una possibile geometria (schematica) • Possibili 2 modi di lettura: • Metodo della carica. Si integra tutta la carica raccolta per TR e dE/dx ( al di sopra di una certa soglia). Si applicano dei tagli per le particelle con solo dE/dx.  limitato dalle code di Landau.( metodo principalmente usato) • Conteggio dei cluster. Si identificano i singoli cluster di ionizzazione primaria. Si contano i cluster al di sopra di una certa soglia. Minor fondo (il numero di cluster è distribuito alla Poisson), ma serve elettronica veloce e geometria speciale delle camere

  25. ATLASTransition Radiation Tracker A prototype endcap “wheel”. X-ray detector:straw tubes (4mm) (in total ca. 400.000 !) Xe based gas Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD)

  26. Lezione 18Contatori a radiazione di transizione (TRD) TRTprotoype performance Pion fake rate at 90% electron detection efficiency: p90 = 1.58 %

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