Técnicas experimentales de detección de partículas

1. Técnicas experimentales de detección de partículas Física Experimental de Partículas y Cosmología Master en Física Teórica – UCM (2013-14) Dra. Mary-Cruz Fouz CIEMAT Dpt Investigación Básica

2. Índice • Introducción • Procesos de interacción de las partículas con la materia • Detectores de Ionización • Detectores gaseosos • Detectores de estado sólido • Detectores de centelleo • Detectores de fotones • Calorimetría • PID – Identificación de partículas • TOF • dE/dX • Detectores Cherenkov • TRD Técnicas experimentales

3. Detectores de Fotones

4. Detectores de Fotones Existen distintos detectores usados comúnmente como detector de fotones acoplado a un material de centelleo. El objetivo es transformar la luz en una señal eléctrica medible • Foto detectores de vacío • PMT – PhotoMultiplierTube • MCP – MicrochannelPlates • Detectores de estado sólido (ya discutidos) como p.ej. • APD • SiPM • Detectores híbridos • HPD Técnicas Experimentales

5. PMT – PhotoMultiplierTube 1934 HarlyIams & BernandSalzberg (RCA) Componentes principales: Fotocátodo Dinodos Ánodo Técnicas Experimentales

6. PMT – PhotoMultiplierTube El primer paso es convertir el fotón incidente en un electrón. Esto se hace usando un fotocátodo donde el fotón producirá un electrón por efecto fotoeléctrico. El fotón incidente tiene que tener suficiente energía para emitir el electrón del átomo y para arrancarlo de la superficie (función de trabajo) del material Los fotocátodos tienen que ser delgados para que el electrón pueda llegar hasta la superficie QE (Quantum Efficiency) QE depende de la longitud de onda del fotón Técnicas Experimentales

7. PMT – PhotoMultiplierTube 1934 HarlyIams & BernandSalzberg (RCA) Una vez que el electrón entra en el tubo de vacío se acelerará por el campo eléctrico y se dirigirá al electrodo (dinodo) donde puede producir electrones secundarios. Estos electrones a su vez se dirigen al siguiente dinodo pudiendo ionizar de nuevo.  Proceso de avalancha En los dinodos convencionales la ganancia ~5 La ganancia total dependerá del número de dinodos usados pudiéndose alcanzar G~106-108 El último electrodo es un ánodo donde se recogen los electrones y se produce la señal. La respuesta de un PMT es muy rápida <ns Los PMT se ven afectados por el campo magnético, incluso a veces el terrestre (pueden requerir apantallamiento, mu-metal), por lo que no pueden trabajar dentro de un imán. Técnicas Experimentales

8. MCP - Micro ChannelPlate Single Channel En lugar de dinodos discretos toda la parte interna del tubo es un dinodo continuo Debido a las grandes fluctuaciones en la ganancia se opera en modo saturado  Respuesta binaria independiente del numero de fotones incidentes Pueden combinarse en planos Channel Son muy rápidos, resolución ~20ps Buena resolución espacial Pueden operar con campos de 0.1T en cualquier dirección y hasta 1T en la dirección axial Tiempo de vida limitado (0.5 C/cm2) no suelen usarse en experimentos de HEP Técnicas Experimentales

9. HPD – HybridPhotonDetectors Permiten aprovechar la excelente resolución espacial y energética de los detectores de silicio. Los fotones producen electrones en el fotocátodo. Los electrones al entrar en el tubo de vacío son acelerados (DV ~20-20kV) y focalizados hacia al detector La ganancia se produce en un solo paso en el detector de silicio (menores fluctuaciones en la ganancia que en PMT) 10-inch prototype HPD (CERN) for Air Shower Telescope CLUE. Pixel-HPD anode 8192 pixels of 50 × 400 mm. 50mm Técnicas Experimentales

10. Calorimetría

11. Calorimetría – Principios generales Los calorímetros se utilizan para medir - Energía de las partículas - Posición - Naturaleza de la partícula Conceptualmente es un bloque de materia suficientemente grande para que la partícula sea absorbida completamente y transforme parte de la energía en una señal medible proporcional a la energía incidente. Es un proceso destructivo Permiten medir tanto partículas cargadas como neutras Las partículas interaccionan con el material y crean partículas secundarias que a su vez pueden dar lugar a otras nuevas generándose una cascada de partículas. Los procesos que forman la cascada dependen del tipo de partícula y material. Podemos distinguir dos tipos: Cascadas electromagnéticas (e,  ) Cascadas hadrónicas(, p, K n, K0L ) Los muones y neutrinos no son absorbidos en los calorímetros. Podemos identificar que se trata de unmuon porque penetra todo el calorímetro y deja una señal compatible con una MIP Los neutrinos no dejarán señal Técnicas experimentales

12. Calorimetría– Principios generales Por su configuración podemos distinguir: Calorímetros homogéneos: Formados por un solo material que sirve para absorber las partículas y producir la señal Calorímetros de muestreo Formados por dos materiales: - Absorbente, de mayor densidad (alto Z) donde se absorbe la partícula y se produce la cascada - Medio Activo o de lectura, donde se produce la señal (solamente se leerá la señal de una parte de la cascada) Los calorímetros de muestreo utilizan como medio activodistintos tipos de detectores como descritos en clases anteriores Técnicas experimentales

13. Cascada Electromagnética – Procesos implicados En la interacción con la materia los principales procesos por los que pierden energía Electrones/positrones Ionización/excitación Bremsstrahlung Fotones Efecto fotoeléctrico Efecto Compton Producción de pares Técnicas experimentales

14. Cascada electromagnética – Desarrollo de la cascada e- e+ e+ Un electrón que atraviese el material producirá fotones debido al bremsstrahlung Esos fotones se aniquilaránproduciendopares e+e- Los nuevos e+ y e- radiarán más fotones que a su vez producen más pares e+e- Si la cascada la inicia un fotón producirápares e+e- y a partir de ahí continúa desarrollándose la cascada. g e- g e+ e- g e- e- g g e+ e+ e- g e- g e+ e+ e- Llega un momento en la que el número de partículas deja de aumentar ya que cada partícula nueva tiene menos energía que la anterior. Cuando los fotones emitidos tienen E < los fotones sólo podrán producir1 electrón Cuando la energía de los e+ y e- disminuye las pérdidas por ionización se van haciendo más importantes y por debajo de la energía críticala cascada empieza a decrecer. Técnicas experimentales

15. Desarrollo cascada EM- Un modelo intuitivo simplista Recordemos que, para el bremsstrahlung X0 = Longitud de radiación En una longitud X0 el electrón habrá perdido 2/3 de su energía por bremsstrahlung Y la sección eficaz de producción de pares En una longitud X0unfotóntiene una probabilidad de 7/9 de producir un par e+e- De forma simplista, y asumiendo que son los únicos procesos, podemos considerar que un e- al atravesar un espesor X0 habrá dado lugar a un par electrón positrón. Tras haber atravesado un espesor n=tX0: Número partículas Energía por partícula La cascada empieza a decrecer cuando = Energía crítica () Técnicas experimentales

16. Cascada electromagnética - Perfil longitudinal Parametrización del perfil longitudinal t = espesor absorbente en unidades de X0 (t=x/X0) a y b dependen de la energía incidente El máximo de la cascada: La profundidad media de la cascada = profundidad a la que una partícula deposita la mitad de su energía El 95% de la cascada estará contenida en una longitud Esto nos permite calcular el tamaño del calorímetro: un e- del 10 GeV necesita ~25X0 Técnicas experimentales

17. Cascada electromagnética – Perfil transversal Las partículas producidas en la cascada se producen con un ángulo respecto a la dirección incidente. - Producción de pares - Bremsstrahlung Además 1.- Los electrones experimentan dispersión múltiple  Domina en las primeras fases de la cascada 2.- Los fotones de baja energía pueden viajar bastante lejos del eje de la cascada (especialmente si vienen de electrones que ya se encontraban bastante alejados)  Forma un halo de menor energía, domina tras haberse alcanzado el máximo Central Core Halo El perfil transversal puede describirse por una suma de dos gausianas Técnicas experimentales

18. Cascada electromagnética – Perfil transversal El ensanchamiento promedio de un haz de electrones de Ec después de atravesar un espesor X0define el radio de Molière Cuanto más denso sea el material más estrecha será la cascada 90% de la energía de la cascada está dentro de 1 95% en 2 99% en 3.5 Técnicas experimentales

19. Cascadas EM. Propiedades de algunos materiales Valores de X0, Ec y para distintos materiales usados en calorimetría Técnicas experimentales

20. Cascadas Eletromagnéticas – Resolución en energía Dependiendo del material del calorímetro se producirán señales a partir de ionización, luz de centelleo, luz Cherenkov… La medida de la energía está influenciada por las fluctuaciones en los distintos procesos de la cascada y formación de señal. Es un proceso estadístico y el ancho de la distribución sería: = resolución intrínseca es una constante de cada calorímetro particular. Límite inferior en la resolución. En un calorímetro real hay más contribuciones a la resolución. En general podemos escribir la resolución como: a = término estocástico b = término independiente c = término de ruido Técnicas experimentales

21. Cascadas Eletromagnéticas – Resolución en energía a = término estocástico Fluctuaciones intrínsecas de la cascada y el proceso que produce la señal Fluctuaciones de muestreo b = término independiente Pérdida de parte de la cascada por no estar totalmente contenida dentro del calorímetro Espacios muertos en el detector Falta de uniformidad Errores de intercalibración de los canales Falta de linealidad en la respuesta de la electrónica c = término de ruido Ruido electrónico Técnicas experimentales

22. Cascadas e.m. – Resolución energía calorímetros de muestreo En el caso de calorímetros de muestreo sólo las partículas que cruzan el medio se detectan Se denomina fracción de muestreo (“samplingfraction”) a: Energía depositada material activo Energía depositada material pasivo La distribución espacial de la cascada cambia de suceso a suceso pero los planos de lectura están fijos  Fluctuaciones extra en el número de partículas que se detectan Habría que añadir otra componente al término estocástico Efectos que contribuyen a las fluctuaciones de muestreo: Fluctuaciones de muestreo intrínseca Variación número partículas cruzando el medio activo Fluctuaciones de Landau Diferencias en la energía depositada por partículas iguales Fluctuaciones de longitud de traza Partículas con ángulos distintos no recorren la misma distancia en el medio activo Técnicas experimentales

23. Resolución para diversos calorímetros electromagnéticos Técnicas experimentales

24. Cascada hadrónica - Espalación Conceptualmente es análogo a la cascada e.m. pero mucho más compleja Mayor variedad y complejidad de procesos implicados Un hadrón al penetrar en el material ionizará el material hasta que se aproxime lo suficiente a un núcleo como para experimentar una interacción fuerte y lo más probable es que se produzca un proceso de espalación: I. Una serie de colisiones de partículas independientes dentro del núcleo, los nucleones tienen energía para viajar dentro del núcleo e interaccionar con otras  Cascada intranuclear Se pueden crear piones y otros hadrones Estas partículas puede llegar a escapar del núcleo Esta primera fase Espalación rápida II. Los núcleos posteriormente se podrán desexcitaremitiendo partículas (principalmente n,g) Si el material es pesado puede producirse fisión originando energía (160-210 MeV) (Cinética + excitación). Se desexcitarán emitiendo n,g Técnicas experimentales

25. Cascada hadrónica Algunas de las nuevas partículas sufren sólo interacciones electromagnéticas(p.ej. g producidos de las desintegraciones de p0 y h). En las primeras fases de la cascada hadrónica las partículas son muy energéticas y pueden producir piones. El número promedio y = masa y energía del nucleón incidente 1/3 serán p0 El número de p0 producidos varía mucho de un suceso a otro. Depende de la primera fase de la cascada donde el proceso es posible La cascada hadrónicatendrá dos componentes Una cascada electromagnéticapor e+,e-, g, (originada principalmente desde p0) Una cascada puramente hadrónica(p,K,p±, iones ligeros…) En las cascadas hadrónicas no toda la energía del hadrón incidente se convierte en energía detectable. La energía “invisible” (hasta el 40%) es debida a: • Neutrinos no interaccionan en el material • Muones depositan una pequeña fracción de su energía • Neutrones lentos que pueden escapar del detector • Energía de ligadura y retroceso nuclear (la contribución más importante) Técnicas experimentales

26. Cascada hadrónica. Perfil longitudinal Recorrido libre medio de una partícula antes de que experimente una reacción nuclear inelástica Longitud de interacción, Equivalente al X0 en las e.m = peso atómico = Número de Avogadro = Densidad del material = Sección eficaz inelástica El perfil longitudinal puede parametrizarse con una función fenomenológica = Factor de normalización y = Pesos relativos de ambas curvas = Profundidad desde el origen de la cascada en unidades de X0 = Profundidad desde el origen de la cascada en unidades de , , , = Parámetros de ajusto a los datos El primer término describe la energía e.m depositada cerca del vértice de la cascada El segundodescribe la dependencia exponencial a largas distancias de la partehadrónica 6 para hadron 5 GeV, >9 para 210 GeV Técnicas experimentales

27. Cascada hadrónica: Perfil transversal Es mayor que en una e.m • Tiene dos componentes: • Una parte central altamente energética con la componente e.m • Una parte periférica sobre todo con n de baja E R Técnicas experimentales

28. Cascadas hadrónicas: Compensación Cada tipo de partícula contribuye a la señal de forma diferente. Podríamos escribir y = Fracciones de la energía total depositada a través de las componentes e.m. y hadrónica e y h = Ctes de calibración para cada parte Si e/h = 1  Calorímetro compensante 300 GeV Las fluctuaciones son distintas en p y p en Cu Técnicas experimentales

29. Cascadas hadrónicas: Compensación Se puede intentar igualar las componentes e.m y hadrónicay obtener compensación por medio de: Técnicas software L3 Segmentar el calorímetro en celdas/planos y dar menor peso cuanto mayor sea la densidad de energía Hardware • Aumentar la respuesta hadrónicavia fisión (238U como absorbente- n de E<1GeV producen fisión y dan lugar a más n) • Aumentar la detección de los n (usando H2) • Usar material de alto Z que reduzca la señal e.m y optimizar la relación entre espesor absorbente y medio activo Técnicas experimentales

30. Cascadas hadrónicas– Resolución en energía a = término estocástico b = término independiente c = término de ruido Al igual que para calorímetros electromagnéticos En general podemos escribir la resolución como: Fluctuaciones intrínsecas, fluctuación de la componente e.m. Dominadas por la primera interacción elástica en donde se pueden producir p0 Pocas partículas implicadas  Fluctuación grande  Producen un término independiente Dos casos extremos 1.- Toda la componente se deposita a través de la componente e.m 2.- No hay producción de piones neutros, solo componente hadrónica Calorímetro compensante Calorímetro NO compensante La resolución será combinación de todos los posibles casos intermedios. Componente electromagnética Componente electromagnética Componente puramente hadrónica Los calorímetros no compensantes Peor resolución N sucesos (Unidades arbitrarias) Componente puramente hadrónica N sucesos (Unidades arbitrarias) Señal/GeV (Unidades arbitrarias) Señal/GeV (Unidades arbitrarias) Técnicas experimentales

31. Cascadas hadrónicas– Resolución en energía Fluctuaciones en la energía no detectable (“invisible”) en los procesos nucleares. (liberar nucleones y energía retroceso núcleos) Pueden ser ~30-35% para hadrón 1 GeV  Peor resolución que los calorímetros electromagnéticos Si se consigue detectar neutrones de forma eficiente puede hacerse “visible” parte de esa energía • Al igual que los calorímetros electromagnéticos presentan también • Fluctuaciones de muestreo • Fluctuaciones debido a • Ruido • Falta de uniformidad • Errores de intercalibración • Pérdida de parte de la cascada por no estar contenida dentro del calorímetro • Algunas partículas producirán la cascada al principio del calorímetro otras al final dando lugar a importantes diferencias si algunas cascadas no están contenidas en él • …. Técnicas experimentales

32. Cascadas electromagnéticas y hadrónicas Técnicas experimentales

33. Medida de la posición En un experimento no sólo necesitamos la energía de las partículas sino su posición Esto es posible segmentando el calorímetro transversal y longitudinalmente y calculando la posición de la partícula por medio del centro de gravedad de la cascada. Para calorímetros e.m tamaño de la celda < 1rM Resoluciones típicas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Cascada e.m Técnicas experimentales

34. Calibración Una buena calibración del calorímetro es esencial para poder obtener medidas de precisión. La calibración da la correspondencia entre la señal del detector y la energía de la partícula. Cada sección del calorímetro debe de ser calibrada (tanto el detector como la electrónica pueden no ser perfectamente homogéneos) • Para esta calibración podemos hacer uso de: • Pruebas con haces de partículas de tipo y energía conocidos a priori permiten conocer la relación entre la señal y la energía. • Fuentes radiactivas, rayos cósmicos, pulsos de luz • En un experimento en colisionadores se usa la información de otros subdetectorescomo señal de referencia así como la medida de canales ya conocidos para calibrar o comprobar la calibración h-> g g

35. Ejemplos de calorímetros ECAL Calorímetro homogéneo Cristales : PbWO4 LHCB Técnicas experimentales

36. Ejemplos de calorímetros Absorbente: Pb inmerso en Ar líquido The ALICE Zero DegreeCalorimeters (ZDC) Fibras cuarzo  Luz cherenkov ECAL Steel+scintillator Luz transmission by wavelength shifter fibers ATLAS TileCal (hadronic) Técnicas experimentales

37. Detección y medida en experimentos de física de partículas Un experimento de física de partículas hace uso de distintos detectores para medir las distintas partículas. En estos experimentos se producen partículas individuales y jets(chorros de partículas producidas en el proceso de hadronización a partir de los quarks y gluones) El modo tradicional de medir la energía de los jets es medir la energía total depositada el los calorímetros electromagnético y hadrónico. Técnicas experimentales

38. Medida de la energía de un jet &ParticleFlowCalorimetry En promedio la composición del jet es aproximadamente: • 60-70% partículas cargadas (p, K principalmente) • 20-30% fotones • 10% partículas neutras En la medida tradicional, la resolución de la medida está dominada por la resolución del calorímetro hadrónico Podríamos mejorar la precisión de la medida si fuésemos capaces de distinguir cada partícula individual del jet y medir cada unacon el detector que proporcione la mejor resolución ParticleflowCalorimetry Partículas cargadas en el tracker Casi perfecta Fotones en el calorímetro e.m Hadrones neutros en el calorímetro hadrónico Solo los hadrones neutros (~10% de las partículas) se miden con la mala precisión del calorímetro hadrónico Técnicas experimentales

39. Calorímetros para ParticleFlow La mejor resolución energética posible (como en cualquier otro calorímetro) Reconstruir cada partícula individual en el jet yasociarla con su traza correspondiente en el detector de trazas Objetivo: Necesitamos una muy buena resolución en posición Muy alta segmentación longitudinal y transversalmente Decenas de millones de canales en un experimento frente a decenas de miles en el caso de la calorimetría convencional Gran reto tecnológico En fase de I+D en la colaboración internacional CALICE  CAlorimeterforLInearColliderExperiment Técnicas experimentales

40. CALICE SDHCAL. Un ejemplo de alta segmentación SDHCAL: SemiDigitalHadronicCalorimeter Bélgica, Francia, España (CIEMAT) Calorímetro de muestreo: Absorbente: Planos de acero inoxidable (2cm entre planos consecutivos) Detector: GRPC (GlassRessitivePlateChambers) Lectura pads: 1x1cm2 Electronicplane 1m2 Visualización de la señal de las cascadas de varias partículas incidentes simultáneamente Top view Bottomview Readout Chip Prototipo 1m3: 50 planos GRPC ~ medio millón de canales 1 pad= 1cm2 , interpad0.5 mm @ CERN Test beam ~ medio millón de canales de lectura en sólo 1m3 144 ASICs= 9216 channels/1m2 Técnicas experimentales

41. Identificación de Partículas PID

42. Identificación de partículas La identificación de partículas es un aspecto crucial en los experimentos de física de partículas. Las partículas pueden ser identificadaspor su masa y por el modo en que interactúan con el medio. Electrones y hadrones producen cascadas diferentes en los calorímetros. Los hadrones neutros además no dejarán señal en el detector de trazas porque no ionizan el medio Los fotones tampoco ionizan, producirán un par e+e- y una cascada e.m Los muones ionizan, atraviesan todo el sistema de detectores depositando poca señal en ellos (MIP) Las medida de la masa puede obtenerse a partir de la relación entre el momento y la velocidad. Necesitamos medir el momento y la velocidad Técnicas experimentales

43. Identificación en calorímetros Podemos utilizar las diferencias entre cascadas hadrónicas y e.mpara distinguir partículas. Podemos desarrollar algoritmos haciendo uso de características como: Dimensiones transversas(e más estrechas, rm vs lI) Punto de comienzo de la cascada(e antes, X0 vs lI ) Longitud de la cascada( e máscortas, ~20 X0>7) Muones muy penetrantes pero poca deposición energía y estrecha Técnicas experimentales

44. B Al igual que un prisma descompone los diferentes colores de la luz Los imanes nos permiten determinar el momento de la partícula midiendo cómo se curva debido al campo magnético Medida del momento Una partícula cargada moviéndose en un campo magnético experimenta la fuerza de Lorentz que modifica su dirección haciéndole seguir una trayectoria helicoidal p=qBr sin q = l/r= q l B /p sin q = l/r La curvatura depende del momento.A mayor momento menor curvatura (Si conocemos la carga podemos medir el momento) La dirección en la que se curva nos indica el signo de la carga de la partícula La dispersión múltiple deteriora la medida del momento Técnicas experimentales

45. Medida de la velocidad Podemos medir la velocidad de una partícula a través de: Medida del tiempo de vuelo entre dos detectores Pérdidas por ionización dE/dx Ángulo de los fotones Cherenkov Radiación de Transición Técnicas experimentales

46. Tiempo de vuelo – TOF (Time Of Fly) Midiendo la diferencia de tiempo ente 2 detectores que tengan buena resolución temporal, p. ej. Plástico centelleador + PMT RPC Detector1 Detector2 partícula ALICE TOF: Mide el tiempo de vuelo respecto al tiempo de la colisión 157248 readoutchanels MRPC: RPC MultiGap Técnicas experimentales

47. dE/dx Fórmula de Bethe-Bloch dE/dx es una función de la velocidad b Para partículas de masa diferente, dE/dx vs p  Curvas desplazadas El mayor problema son las fluctuaciones de Landau Probabilidad Se necesita hacer muchas medidas y eliminar los valores con una gran pérdida de energía Valor medio truncado Un detector adecuadopara ello TPC dE/dx TPC TPC ITS Ne/CO2 (90/10) 570132 readoutchannels Online event 159 ionizationsamples/particle ITS=Inner Tracking System Técnicas experimentales

48. RICH (Ring ImagingCherenckov) detector (I) Recordemos que, si una partícula viaja en medio a una velocidad superior a la luz en ese medio, se emite luz Cherenkov. El ángulo de apertura depende de la velocidad Midiendo el ángulo de esa luz respecto a la trayectoria de la partícula podemos medir su velocidad La luz emitida en un instante t formará un cono. En un plano perpendicular a la dirección de la partícula la luz forma una circunferencia, un anillo. La luz emitida en el instantet+ddará lugar, en ese mismo plano, a otro anillo de menor radio. radiador t t+d t Si la luz se produce en un medio (radiador) muy delgado, dará lugar a un anillo con un grosor que viene determinado por el espesor del medio Proximityfocusing RICH Si usamos un radiador con el mismo espesor pero hecho de varios índices de refracción. Podemos aumentar el espesor del radiador  + fotones sin degradar la resolución del detector El aerogel (SixOy) permite regular n entre 1.01 y 1.13 Técnicas experimentales

49. RICH (Ring ImagingCherenckov) detector (II) Podemos hacer uso de un espejo para focalizar la luz Focusing RICH En cualquiera de los diseños necesitamos un detector de fotones que nos permita una medida de la posición para reconstruir los anillos y calcular la velocidad de la partícula. Técnicas experimentales

50. Detectores RICH de AMS &LHCb Focusing RICH Alphamagneticspectrometer Radiador dual: Aerogel(n=1.050) NaF (n= 1.334) PMTs acoplados a guías de luz (pixel 8.5mm) Proximityfocusing RICH RICH assembly @ CIEMAT Fotodetector:HPD