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Rivelatori di Particelle1 Lezione 19 Contatori Čerenkov Contatori Čerenkov Ricordiamo: soglia Angolo di saturazione ( =1) Numero di fotoni emessi per unità

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Presentazione sul tema: "Rivelatori di Particelle1 Lezione 19 Contatori Čerenkov Contatori Čerenkov Ricordiamo: soglia Angolo di saturazione ( =1) Numero di fotoni emessi per unità"— Transcript della presentazione:

1 Rivelatori di Particelle1 Lezione 19 Contatori Čerenkov Contatori Čerenkov Ricordiamo: soglia Angolo di saturazione ( =1) Numero di fotoni emessi per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza donda

2 Rivelatori di Particelle2 Lezione 19 Contatori Čerenkov materialen-1 (soglia) Plexiglas (lucite) Acqua Aerogel Pentano (STP)1.7 x CO x H 2 (STP)1.4 x He (STP)3.3 x

3 Rivelatori di Particelle3 Lezione 19 Contatori Čerenkov Ricordiamo inoltre che in un gas : n ~ 1+ P (P = pressione) Gas x H2H N2.97 Etilene7.2 CO Propano10 Pentano17

4 Rivelatori di Particelle4 Lezione 19 Contatori Čerenkov La perdita di energia per radiazione Čerenkov è piccola rispetto a quella dovuta allionizzazione (Bethe-Block) (~1%). Il numero di fotoni emessi è piccolo (vedi tabella)

5 Rivelatori di Particelle5 Lezione 19 Contatori Čerenkov Il numero di foto-elettroni rivelabili per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza donda si ottiene integrando la: sulle lunghezze donda del visibile ( nm) ( dove il fotorivelatore è sensibile) Esempio: per un apparato con Q.E.=0.2 lungo L=1cm e c =30° ci attendiamo N p.e. =18

6 Rivelatori di Particelle6 Lezione 19 Contatori Čerenkov In generale il radiatore ha una certa dispersione, cioè lindice di rifrazione n = n(E) con dn/dE 0. Questo porta ad un errore cromatico E è connesso a E: Lerrore cromatico può essere ridotto solo riducendo E o tramite complicate correzioni ottiche In pratica molti apparati sono dominati dallerrore cromatico.

7 Rivelatori di Particelle7 Lezione 19 Contatori Čerenkov I contatori Čerenkov possono sfruttare: N ph ( ) : contatori a soglia (non misuro langolo di Cerenkov) ( ) : contatori differenziali e RICH

8 Rivelatori di Particelle8 Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Principio di funzionamento

9 Rivelatori di Particelle9 Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Consideriamo 2 particelle di masse m 1 ed m 2 e con lo stesso impulso p. Per distinguerle in un Čerenkov a soglia è necessario che la particella più leggera (m 1 ) emetta luce e laltra no ( considerando la seconda a soglia) Assumendo particelle relativistiche avrò: Se il radiatore è lungo L e lefficienza quantica del PM è QE Se N 0 è il numero di p.e. necessari per avere piena efficienza

10 Rivelatori di Particelle10 Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Esempio: Esempio: k,p a p=10 GeV/c m 1 =494 MeV/c 2 ; m 2 =938 MeV/c 2 ; N 0 =10; QE=0.25 Lindice di rifrazione deve essere scelto in modo da essere esattamente a soglia per i p (o appena sotto-soglia) cioè n=E/p= e.g. pentano a pressione

11 Rivelatori di Particelle11 Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia In pratica se abbiamo un fascio non separato di +, k +, p di impulso p=10 GeV/c usiamo più Čerenkov per poter identificare tutte le particelle. part.n sogliaRadiat.n Radiat Azoto CO k1.0012pentano propano (2 atm) p1.0044Aerogel1.025 C CkCk CpCp k p =1; =0

12 Rivelatori di Particelle12 Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Un grosso Čerenkov Sopra soglia per pioni e K di 6,10 e 14 GeV/c Riempito di propano a pressione

13 Rivelatori di Particelle13 Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Il contatore più grande riempito di CO 2 a pressione atmosferica,s opra soglia solo per pioni

14 Rivelatori di Particelle14 Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia Example: study of an Aerogel threshold detector for the BELLE experiment at KEK (Japan) Goal: /K separation kaon Aerogel = misture di Si0 2 e H 2 0 con aria

15 Rivelatori di Particelle15 Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia

16 Rivelatori di Particelle16 Lezione 19 Contatori Čerenkov differenziali Attenzione al di sopra di GeV, se non voglio avere dei Čerenkov troppo lunghi, conviene misurare langolo di Čerenkov. Contatori differenziali o DISC (una via di mezzo fra contatori a soglia e per la misura dellangolo ) specchio Guida di luce in aria Fotomoltiplicatore radiatore Principio di funzionamento Accetta solo particelle in una finestra di velocità ( ). Tutte le particelle che hanno una velocità > min =1/n sono sopra soglia. Al crescere di aumenta langolo di Čerenkov fino a raggiungere langolo di riflessione totale la luce non entra nella guida di luce. Langolo di riflessione totale può essere calcolato dalla legge di Snell (sin( t )=1/n) e siccome cos =1/ n max =(n 2 -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 / ~10 -7

17 Rivelatori di Particelle17 Lezione 19 Contatori differenziali Contatori differenziali e DISC solo particelle in una finestra di. accettanza limitata Funzionano solo se le particelle incidenti sono // allasse ottico non utilizzabili ai Collider Prismi correggono le aberrazioni cromatiche ( n = n ( ) )

18 Rivelatori di Particelle18 Lezione 19 Contatori RICH Ring Imaging Čerenkov Counters ( RICH ) I RICH misurano langolo c intersecando il cono di luce Cerenkov con un piano fotosensibile (J. Seguinot, T. Ypsilantis, NIM 142 (1977) 377) requires large area photosensitive detectors, e.g. wire chambers with photosensitive detector gas PMT arrays n = 1.28 C 6 F 14 liquid n = C 5 F 12 gas /K /K/p K/p /h /K/p K/p DELPHI Cos n tan Se si raccolgono N fotoni minimizzare massimizzare N p.e. Esempi di angoli

19 Rivelatori di Particelle19 Lezione 19 Contatori RICH Fino a quale impulso p due particelle di massa m 1 ed m 2 possono essere separate da un RICH con n

20 Rivelatori di Particelle20 Lezione 19 Contatori RICH Principio di operazione di un RICH A RICH with two radiators to cover a large momentum range. /K/p separation GeV/c: DELPHI and SLD (W. Adam et al. NIM A 371 (1996) 240) 2 radiators + 1 photodetector C 6 F 14 (1 cm, liquid) C 5 F 12 (40 cm, gas) C 4 F 10 (50 cm, gas) spherical mirror Photodetector TMAE-based DELPHI RICH

21 Rivelatori di Particelle21 Lezione 19 Contatori RICH Due modi per vedere langolo : Nessuna focalizzazione Nessuna focalizzazione La determinazione di c richiede: x,y,z del fotone x e,y e,z e punto di emissione del fotone direzione della particella p, p

22 Rivelatori di Particelle22 Lezione 19 Contatori RICH Sorgenti di errore : 1. Errori cromatici possono essere molto grandi quando siamo vicini allangolo di riflessione totale. 2. Errore sul punto di emissione del fotone si assume che viene dal centro del radiatore va bene solo se il radiatore è sottile 3. Risoluzione spaziale del detector 4. Direzione della particella normalmente i RICH non sono degli apparati solitari il funzionamento del RICH dipende dalla qualità del tracciamento

23 Rivelatori di Particelle23 Lezione 19 Contatori RICH Apparati focalizzanti Apparati focalizzanti Il sistema funziona bene solo per piccoli parametri dimpatto x i <

24 Rivelatori di Particelle24 Lezione 19 Contatori RICH Fotorivelatori per RICH Camere a fili Fotocatodi a gas fotocatodi solidi Fotomoltiplicatori (multi-anodi), fotodiodi ibridi

25 Rivelatori di Particelle25 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Fotocatodi Gassosi La maggioranza degli esperimenti usano TMAE. ma: Bassa tensione di vapore. TMAE (e lintero apparato) devono essere scaldati per ottenere una lunghezza di assorbimento l ph accettabile. Esempio DELPHI: T TMAE =28 °C l ph 16 mm È stato dimostrato che TEA funziona. DMA e TMA poco attrattivi perché hanno alte soglie E I

26 Rivelatori di Particelle26 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Efficienza quantica di TMAE

27 Rivelatori di Particelle27 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Efficienza quantica di TEA

28 Rivelatori di Particelle28 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Le camere devono essere operate a basso guadagno G10 5

29 Rivelatori di Particelle29 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Esempio : DELPHI

30 Rivelatori di Particelle30 Lezione 19 Fotorivelatori 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 (10 10 ÷10 11 cm) il catodo non si carica ad alto rate.

31 Rivelatori di Particelle31 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH

32 Rivelatori di Particelle32 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH

33 Rivelatori di Particelle33 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH fotomoltiplicatori, fotodiodi ibridi

34 Rivelatori di Particelle34 Lezione 19 Fotorivelatori per RICH Materiali per radiatori e finestre.

35 Rivelatori di Particelle35 Lezione 19 DIRC DIRC = D I R C DIRC = Detector for Internally Reflected Cerenkov light Barre di quarzo sia radiatore che guida di luce. Riflessione totale angolo di riflessione totale 40° nei RICH devo avere traccia incidente allasse focale degli specchi, nel DIRC la quantità di luce riflessa aumenta con laumentare dellangolo di incidenza buono per piccolo angolo di incidenza ( tracce praticamente // alle barre).

36 Rivelatori di Particelle36 Lezione 19 DIRC

37 Rivelatori di Particelle37 Lezione 19 DIRC

38 Rivelatori di Particelle38 Lezione 19 DIRC Un disegno più chiaro del DIRC : una barretta di quarzo poco materiale davanti al calorimetro elettromagnetico.

39 Rivelatori di Particelle39 Lezione 19 DIRC

40 Rivelatori di Particelle40 Lezione 19 DIRC

41 Rivelatori di Particelle41 Lezione 19 DIRC

42 Rivelatori di Particelle42 Lezione 19 Identificazione di particelle Sommario Vari metodi disponibili per identificare le particelle in un ampio intervallo dimpulsi. A seconda dello spazio disponibile, la potenza del metodo didentificazione può variare significativamente. Un plot molto rozzo: /K separation e ± identification


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