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(Alcune) Tecniche di rivelazione delle particelle. Ettore Segreto Incontri di Fisica 2009 Laboratori Nazionali del Gran Sasso 8 Ottobre 2009.

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1 (Alcune) Tecniche di rivelazione delle particelle. Ettore Segreto Incontri di Fisica 2009 Laboratori Nazionali del Gran Sasso 8 Ottobre 2009

2 Tutti i rivelatori di particelle si basano su di un principio (apparentemente) molto semplice: Il trasferimento di parte o tutta lenergia della particella alla massa sensibile (atomi, molecole) del rivelatore, dove questa viene trasformata in una forma più accessibile (carica, luce, calore…). 2Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

3 Sensibilità di un rivelatore La sensibilità è la capacità di un rivelatore di produrre un segnale utilizzabile quando viene attraversato da un certo tipo di radiazione con una certa energia. Fattori che determinano la sensibilità di un rivelatore sono: – Sezione durto (probabilità) per i processi di interazione allinterno del rivelatore; – Massa del rivelatore; – Rumore intrinseco; – Materiale che riveste il rivelatore; Capacità di produrre un segnale Livello minimo del segnale Energia minima rivelabile 3Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

4 Un rivelatore molto semplice… La camera a ionizzazione. La camera misura la ionizzazione prodotta nel gas nobile dal passaggio di una particella carica. Armature di un condensatore Gas Nobile (Ar) Le cariche di ionizzazione (sia positive che negative) derivano sotto lazione del campo elettrico inducendo un segnale sul circuito esterno. Segnale piccolo 4Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

5 …camere proporzionali Camera proporzionale cilindrica. Condensatore cilindrico riempito da una miscela di gas in cui lanodo centrale è un filo molto sottile ( R ~20÷100 μm). Lintnenso campo elettrico (~ ΔV/R) in prossimità del filo consente la moltiplicazione proprozionale della carica di ionizzazione (fatt. molt. ~ 10 4 ÷ 10 6 ). Multiwire Proportional Chamber (MPC). Sono costituite da una successione di fili anodici in cui si ha moltiplicazione proporzionale, poste tra due piani catodici. Consentono la misurazione della posizione della traccia nel piano. Una coordinata è la posizione del filo, laltra si ottiene con la lettura del segnale catodico. 5Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

6 …camere a proiezione temporale (TPC) Anodo Catodo Campo elettrico Moltiplicazione proporzionale Consentono la ricostruzione 3D della traccia ionizzante oltre che della ionizzazione prodotta (energia depositata). Un CE è stabilito tra un catodo centrale ed il piano anodico costituito da una MPC. La camera tipicamente è riempita con un gas nobile (Ar). Gli e - prodotti dalla particella ionizzante al tempo T 0 vengono fatti derivare verso il piano anodico con velocità costante dove vengono rivelati. La coordinata (di ogni segmento di traccia) lungo la direzione di deriva degli e - è data dalla velocità di deriva (nota) per il tempo intercorso tra la rivelazione e il T0. Le coordinate sul piano ortogonale sono determinate dalla MPC. 6Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

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8 8 ICARUS LNGS Il Rivelatore ICARUS T600 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

9 9 July 24th, wire pitch d d Drifting Ionizing Track e-e- Electric Field time Screen Grid Induction Plane Collection Plane Charge Induction wire Signal (schematic) Waveform T0T0 T peak Light T drift PMT Signal PMT UV Light ICARUS Event Stopping and decay (3t prototype) Amplifier in Lar E1E1 E2E2 E3E3 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

10 10 LAr Cryostat (half-module) 20 m 4 m View of the inner detector The T600 Module during construction Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

11 11 Cosmic ray showers (T600) Eventi Spettacolari Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

12 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE 12Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

13 Come è fatto un rivelatore a scintillazione? Materiale Scintillatore Guida di uce Fotomoltiplicatore (PMT) 13Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

14 Funzionamento dello Scintillatore Quando l'elettrone decade al livello che occupava prima dell'eccitazione emette un fotone di energia relativamente bassa, tipicamente nel visibile o nellultravioletto. Tale impulso di luce viene poi rivelato ed amplificato da opportuni sensori, ad esempio da un Fotomoltiplicatore. Al proprio passaggio la particella incidente cede parte della propria energia allo scintillatore causando, ad esempio, l'eccitazione di un elettrone che si sposta in un livello ad energia superiore. Materiale scintillante Fotomoltiplicatore (PMT) t i 14Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

15 Classificazione degli scintillatori Scintillatori Organici : strutture di anelli di benzene. La loro principale caratteristica è la rapidità nella risposta (pochi nsec). Vengono usati come cristalli puri, soluzioni liquide e soluzioni solide. Usati per neutroni. Cristalli Inorganici: cristalli al cui interno sono introdotte delle impurità che fungono da mezzo attivo (NaI(Tl) per es.). Maggiori pregi sono lelevato potere frenante e lelevata resa in luce. Usati per e-, γ. Scintillatori a Gas: tipicamente gas nobili (elio, argon, neon, xenon, kripton) miscelati con altri gas. Hanno una notevole resa in luce. Usati per α e nuclei. Scintillatori a Gas Nobili liquefatti: uniscono alla grande resa in luce un elevato potere frenante. 15Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

16 Scintillatore CsI(Tl) Scintillatore NaI(Tl) 16Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

17 Quali caratteristiche deve avere un materiale scintillante per essere un buon rivelatore? Alta efficienza per la conversione energia ionizzazione/eccitazione in radiazione luminosa; Trasparenza alla propria radiazione luminosa; Emissione di luce con uno spettro compatibile con il PMT; Possibilmente breve costante di decadimento (~ nsec) 17Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

18 GUIDA DI LUCE La guida di luce permette di raccordare lo scintillatore con il PM Sono principalmente di plexiglass e sfruttano per convogliare la luce il fenomeno della riflessione interna Per il vetro sono circa 42° 18Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

19 Il Fotomoltiplicatore (PMT) Il PMT è un dispositivo elettronico che converte un segnale luminoso in un segnale elettrico Questo processo avviene principalmente attraverso due stadi Conversione di un fotone in un elettrone per effetto fotoelettrico Moltiplicazione del segnale elettrico iniziale I PMT sono uno strumento lineare largamente utilizzato nella fisica nucleare ed astroparticellare, spesso abbinati agli scintillatori 19Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

20 Schema delle componenti interne di un PMT 20Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

21 Segnale di un PMT 21Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

22 Rivelazione della materia oscura con la luce di scintillazione. Alcune osservazioni astronomiche (velocità di rotazione delle galassie, lensing gravitazionale) e misurazioni di precisione della radiazione cosmica di fondo e della distribuzione della materia dellUniverso accreditano lipotesi dellesistenza della materia oscura; Lipotesi più sostanziata e che la materia oscura sia costituita da materia non barionica (non ordinaria) nella forma di particelle massive ( ~100 volte la massa del protone) neutre che interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso linterazione debole (WIMP –> Weakly Interacting Massive Particle); Le WIMPs costituirebbero un alone sferico statico che avvolge tutte le galassie e che rappresenterebbe la parte predominante della massa delle galassie stesse; La probabilità (sezione durto) che una WIMP interagisca con la materia ordinaria è prevista essere molto piccola per questo i rivelatori devono essere molto grandi ( ~ tonnellate di massa sensibile) e con una grande capacità di discriminare il fondo (elettroni, gamma, neutroni). Lenergia dellinterazione è anchessa molto piccola per questo i rivelatori debbono essere molto sensibili. 22Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

23 LESPERIMENTO WARP 23Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

24 WIMP Detection in WArP Three simultaneous criteria to discriminate potential WIMP recoils from backgrounds: 1 Simultaneous detection of prompt scintillation and drift time-delayed ionisation in Liquid Argon: pulse height ratio strongly dependent from columnar recombination of ionizing tracks. 3D reconstruction of event position. 2Pulse shape discrimination of primary scintillation: wide separation in rise times between fast ( 10 ns) and slow ( 1.5 µs) components of the emitted UV light. 3Precise 3D reconstruction of event position: Precise definition of fiducial volume; additional rejection of multiple neutron recoils and gamma background 24 Double Phase Argon Chamber Only detector with triple discrimination technology. Largest discrimination of / -induced backgrounds. Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

25 Discrimination Technique 25 S1 = primary (prompt) scintillation signal S2 = secondary (delayed) scintillation signal (proportional to ionization) Minimum ionising particles (e - ): high S2/S1 ratio (~100) + slow S1 signal. Nuclear recoils (eventually WIMPs): low (<30) S2/S1 + fast S1. Argon recoil Electron (A) (B) S2 S1 S2 S1 Drift time Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

26 26 Dimostrazione rivelatore a scintillazione

27 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/ GRAZIE DELLATTENZIONE!


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