“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias” (Aula 02)

1. “Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias”(Aula 02) Jun Takahashi IFGW-UNICAMP

2. Índice Geral: • Aula 01: Revisão sobre a Física de Partículas e noções básicas sobre aceleradores. • Aula 02: Radiações e interação da radiação com a matéria.Princípios gerais de detecção e um resumo sobre os principais tipos de detectores. • Aula 03: Detectores a gás, detectores semicondutores, e cintiladores. • Aula 04: Métodos de análise de dados, estatística, tracking, Vértices Secundários, PID e trigger. • Aula 05: Os experimentos do RHIC e do LHC. Experimentos de neutrinos e o observatório Auger. Aplicações de detectores em outras áreas.

3. Índice da Aula 02: • Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação. • Interação da radiação com a matéria • Princípios Gerais de detecção • Observáveis a serem medidos • Principais tipos de detectores

4. Radiação • Fontes Naturais de Radiação: • Radioisótopos – baixa energia (MeV) • Raios Cósmicos - Alta energia (GeV) • Tipos de Radiação: • Neutra nêutrons, neutrino, gama • Carregada Léptons, hádrons, prótons, núcleos • Tipos de Interação: • Eletromagnética partículas carregadas, gamas • Forte nêutrons • Fraca neutrinos • gravitacional grávitons

5. Principais processos radioativos: Utilizando fontes radioativas, é possível testar e calibrar os diferentes tipos de detectores, e portanto, são ferramentas fundamentais em um laboratório de física nuclear, ou de instrumentação para física de partículas. • Decaimento Alfa (α) Espectro discreto (MeV) • Decaimento Beta (β) Espectro contínuo (keV-MeV) • Emissão Gama (γ) Espectro discreto (keV-MeV) • Emissão de raio-X Espectro discreto (eV-keV) • Captura de elétrons (EC) Emissão de neutrinos + raio X • Aniquilação de pósitrons Emissão discreta (511 keV) • Conversão interna Espectro discreto de elétrons (keV) • Elétrons de Auger Espectro discreto (eV-keV) • Fissão Nuclear Espectro contínuo (keV-MeV)

6. Decaimento Alfa (a): 5,48 MeV 433 anos 5,30 MeV 138 dias • Decaimento a: Processo onde o núcleo emite espontaneamente um núcleo de 4He.

7. Decaimento Beta: • Decaimento b: Processo onde o núcleo emite espontaneamente um elétron (e-) ou um pósitron (e+).

8. Decaimento Gama • Decaimento g: Processo onde o núcleo em um estado excitado emite um fóton.

9. Aniquilação de pósitrons

10. Meia vida Vida média Regra do decaimento: Se considerarmos que a probabilidade de que ocorra um decaimento seja dado por w, o número de decaimentos dN, em um intervalo de tempo dt será dado por: Resolvendo esta equação teremos: Onde a vida média é definida como: Definimos a meia vida(t1/2) como sendo o tempo que leva para metade da amostra decair, ou seja, N=(1/2)N0, então teremos Regras probabilísticas, sujeito a flutuações estatísticas.

11. Datação através da medida de radioisótopos. Enquanto a planta está viva, a taxa de absorção e a taxa de decaimento se mantêm constante, resultando em ~15 desintegrações por minuto por grama de carbono. meia vida de 5730 anos.

12. Exemplo de datação via Carbono: A taxa de decaimento beta de um osso contendo 200 g de carbono é de 400 decaimentos por minuto. Qual a idade do osso? Qual a razão entre os isótopos 14C e 12C ? Meia vida do 14C é de 5730 anos, e 1 g de carbono de um organismo vivo emite aproximadamente 15 decaimentos /minuto. • Se o osso fosse extraído de um ser vivo, teria: • Pela regra de decaimentos temos:

13. Decaimento b, mais de perto: • É o processo preferencial em que um núcleo complexo retorna à linha de estabilidade. • Envolve a interação fraca de curto alcance, e os bósons de gauge W± e Z0. • Envolve o aparecimento de uma nova partícula, o neutrino, proposto por Pauli (1934) para explicar o espectro contínuo do decaimento beta. • Envolve a mudança de sabor de quarks, para transformar um nêutron em um próton. • Decaimento de 1 nêutron livre para um próton tem Q≈0,78 MeV, como Q>0, é um decaimento espontâneo, com vida média de aproximadamente t≈898s.

14. Reação inversa de p→n? O decaimento espontâneo de um próton para um nêutron, em princípio não deve ocorrer pois a massa do nêutron é maior que a massa do próton, portanto o Q do decaimento seria negativo. No entanto, o princípio de incerteza nos diz que: portanto, para um tempo suficientemente grande, talvez seja possível que DE seja pequeno a ponto de permitir um decaimento espontâneo de um próton para um nêutron. Medir o tempo de decaimento espontâneo do próton em um nêutron era o objetivo inicial do experimento Kamiokande no Japão.

15. Índice da Aula 02: • Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação. • Interação da radiação com a matéria • Princípios Gerais de detecção • Observáveis a serem medidos • Principais tipos de detectores

16. O caso de partículas carregadas m,v’,E’z m,v,Ez z g Ee=hv • Em geral, na passagem de uma partícula carregada por um meio ocorrem duas coisas: • perda de energia da partícula • deflexão na trajetória da partícula • Estes efeitos se devem primordialmente aos processos: • Espalhamento inelástico com o campo Coulombiano atômico • Excitação • Ionização • Interação com o núcleo, espalhamento e reação. • Emissão de radiação Cherenkov • Bremsstrahlung

17. Stopping Power A interação da partícula com o meio é um processo probabilístico, no entanto, como o número de interações em geral é grande em um comprimento macroscópico, as flutuações de energia são pequenas e se pode obter um valor médio da perda de energia. Esta grandeza é chamada de “stopping power” ou simplesmente dE/dx. S = “stopping power” = valor médio da perda de energia por unidade de comprimento

18. Fórmula de Bethe-Bloch A fórmula de Bethe-Bloch é deduzida considerando a transferência de energia da partícula incidente para o meio parametrizado pela transferência quantizada de momento. 5 2 3 4 1 1. Característica da partícula incidente 2. Característica do meio, densidade de elétrons 3. I: Potencial médio de excitação. 4. Tmax: é a energia máxima que pode ser transferida em uma colisão. 5. Correção devido a efeitos de densidade e polarização do meio.

19. dE/dx K p d  e DEmp <DE> Probability (DE) Em geral, para alvos finos, a distribuição da perda de energia varia com a distribuição de probabilidade de Landau, e a fórmula de Bethe-Bloch fornece o valor médio da distribuição. No limite de alvos de grande espessura, a distribuição passa a ser Gaussiana.

20. dE/dx No caso de partículas leves como os elétrons e múons, a perda de energia por radiação Bremsstrahlung passa a ser dominante na região de altas energias.

21. Interação de fótons com a matéria photoelectric cm2/g sodium iodide compton pair prod. amedeo.staiano@to.infn.it MeV • A interação de fótons com a matéria é dramaticamente diferente do caso de partículas carregadas. • As principais interações de raio-X e raio Gama coma matéria são: • Efeito fotoelétrico • Espalhamento Compton • Produção de Pares

22. Interação da radiação EM em faixas de energias mais baixas • Interação com microondas: • A energia do fóton é muito pequena 0,0001 eV, • portanto existe um número reduzido de estados de energia. • Interação na faixa do infra-vermelho: • Densidade de estados finais maior. E max ~0,5 eV. • Interação na faixa do visível: • Forte absorção devido aos estados de excitação atômica, 2 eV. • Interação na faixa do ultra-violeta: • Energia suficiente para causar ionização, 50 eV.

23. Interação de fótons com a matéria Um feixe de raio-X ou Gama não perde energia em um alvo, como é o caso de um feixe de partículas carregadas. A interação de um fóton com a matéria é um evento singular, diferente do caso de partículas carregadas que sofrem interações múltiplas. No caso de fótons, o número total de fótons é reduzido, portanto parte dos fótons é absorvido pelo meio, ou melhor dizendo, o feixe é atenuado. A atenuação de um feixe de fótons é uma função exponencial da largura do absorvedor (x). µ : é o coeficiente de atenuação de massa [cm2/g] x : é a espessura do absorvedor λ: é o livre caminho médio (µρ)-1

24. Interação de nêutrons com a matéria • Os nêutrons, assim como os fótons, não possuem carga e portanto, não estão sujeitos ao campo Coulombiano e não interagem com os elétrons dos núcleos. O nêutrons interagem via força forte, diretamente com os núcleos dos átomos. Assim sendo, só podem interagir se chegarem bem próximos do núcleo (d<10-13cm) e portanto a seção de choque de interação de nêutrons é bem menor que a de partículas carregadas. • A interação de nêutrons ocorre principalmente por: • Espalhamento elástico no núcleo dos átomos: A(n,n)A • Espalhamento inelástico : A(n,n)A* • Captura de nêutrons: n+(Z,A)-> (Z,A+1)* • Reação nuclear (fissão, produção de chuveiro hadrônico ...)

25. Índice da Aula 02: • Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação • Interação da radiação com a matéria • Princípios Gerais de detecção • Observáveis a serem medidos • Principais tipos de detectores

26. Princípio Geral de um detector • Meio que interage com a partícula ou radiação a ser medida. • Sólido (semicondutores, cristais, chumbo, gelo,filme) • Líquido (cintilador, água) • Gás (Ar, P10, argônio)

27. Princípio Geral de um detector e+ e- e+ e+ e- e- e+ e- e+ e- • A interação gera partículas (radiação) secundária: • elétrons (semicondutores) • Luz (cintiladores)

28. Princípio Geral de um detector e+ e- e+ e+ e- e- e+ e- e+ e+ e- e- e+ e- No caso da radiação secundária ser fótons (Luz) é necessário um conversor de luz para elétrons (Fotocatodo)

29. Princípio Geral de um detector e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e+ e- e+ e+ e- e- e+ e- e+ e+ e- e- e+ e- Uma vez coletado os elétrons, é necessário amplificar o pulso de corrente para que possamos extrair um sinal acima do ruído eletrônico. Muitas vezes (detectores a gás), a amplificação do sinal é efetuado no próprio meio interagente.

30. Princípio Geral de um detector e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e+ e- e+ e+ e- e- e+ e- e+ e+ e- e- e+ e- ADC O sinal analógico é coletado pela eletrônica de “frente”, amplificado (pré-amplificação), formatado (shapping), digitalizado (ADC).

31. Índice da Aula 02: • Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação • Interação da radiação com a matéria • Princípios Gerais de detecção • Observáveis a serem medidos • Principais tipos de detectores

32. O que sai de uma Reação Nuclear ? • Baixas Energias: • Fótons-Radiação Gamma. • Isótopos excitados. • Núcleos Novos, mais pesados. • Núcleos Exóticos, fora da linha de estabilidade. • Núcleos Residuais.

33. O que sai de uma Reação Nuclear ? • Altas Energias: • Fótons de alta energia (Gama) • Partículas Novas: • mésons (p) e bárions (p) • partículas estranhas (K,L) • partículas charmosas (J/Y) • Novos estados da matéria: QGP.

34. O que quero medir? O que posso medir medir? Energia de ionização das partículas. Total (E) Das Partículas: Z – Número atômico. A – Massa Atômica. C – Carga. E – Energia. P – Momento (direção). Parcial (DE) Velocidade da partícula (V) Trajetória da Partícula • Das reações: • Novas partículas. • Seção de choque dos diversos processos e partículas. • Seções de choque diferencial: • Distribuição espacial: angular, pseudo-rapidez. • Espectro de energia, • Distribuição de momento.

35. Índice da Aula 02: • Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação • Interação da radiação com a matéria • Princípios Gerais de detecção • Observáveis a serem medidos • Principais tipos de detectores

36. Tipos de detectores: No dia a dia:

37. Tipos de detectores: Em experimentos de Física Nuclear e de Altas Energias:

38. Principais características de Detectores • Sensibilidade do detector para as diferentes partículas • Ruído e Sinal • Resolução em energia • Resolução em posição • Resolução em tempo • Capacidade de Identificação • Tempo morto • Eficiência • Ângulo sólido / áreas mortas / cobertura • Resistência a danos de radiação • Custo

39. Obrigado.