Rivelatori Cerenkov nella fisica delle alte energie Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PARLEREMO DI: Introduzione Cos’e’ un rivelatore Cerenkov L’identificazione di particelle (PID, Particle Identification) L’effetto Cerenkov Cos’e’ un rivelatore Cerenkov Cenno storico Il ruolo del radiatore Le tipologie dei rivelatori Cerenkov A soglia Differenziali RICH I fotorivelatori Un esempio di ottica La famiglia dei RICH Galleria didattica (= non esaustiva) I nuovi approcci RICH & Fisica Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PID Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PID: come ? Per identificare una particella o uno ione, 2 strade: Specifici modi di interazione con la materia, esempi Muoni di alta energia, penetrazione Muoni di energia intermedia, range p di bassa energia, range E.m. vs adroni: calorimetria (sviluppo dello shower) … Determino la massa Misura diretta dai prodotti di decadimento risolvendo l’equazione E2 = (mc2)2 + (pc)2 con la combinazione di 2 misure p (deflessione in campo magnetico) v (TOF, Cerenkov) E (range) v (TOF) p (deflessione in campo magnetico) dE/dx (ad es. TPC) p (deflessione in campo magnetico) E/m (radiazione di transizione  e) p (deflessione in campo magnetico) E (range) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PID da misure di p e v Risoluzione: Quando p e’ ben misurato questo si traduce in una richiesta specifica nella risoluzione in b: Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

EFFETTO CERENKOV Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

L’EFFETTO CERENKOV IN PILLOLE velocita’ di fase luce nel mezzo: 1/n ∙ c bpart∙c < velocita’ di fase luce nel mezzo simmetria  interferenza distruttiva bpart∙c > velocita’ di fase luce nel mezzo perdita della simmetria fronte di interferenza coerente Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

ONDA DI CHOC Fenomeni fisici simili (onde meccaniche): Scia del motoscafo Aereo supersonico Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

L’EFFETTO CERENKOV IN PILLOLE soglia: nb = 1 saturazione: b  1 Fotoni lineramente polarizzati con il vettore E ortogonale alla superficie del cono e il vettore H tangente a tale superficie Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

QUALCHE FORMULA N ≈ 1-1/(bn)2 = sin2qC Frank e Tamm: Fotoni infrarossi, visibile e UV Per un radiatore di lunghezza L: Integrando sullo spettro: 1 - 1/(b2n2) = 1 - cos2qC = sen2qC A saturazione per unita’ di L e di intervallo in energia dello spettro dei fotoni: In generale: N e’ un valor medio: statistica poissoniana  v da misura diretta di qC , non da N !!! N ≈ 1-1/(bn)2 = sin2qC Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

QUALCHE FORMULA DI USO PRATICO Nei rivelatori devo tener conto della perdita di fotoni e dell’efficienza di rivelatione dei fotoelettroni N0 – fattore di merito di un contatore Cerenkov e – efficienza di rivelazione dei fotoelettroni QE – efficienza quantica T – trasparenza R - riflettanza NPE – numero medio fotoelettroni rivelati (nel caso Z=1) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

SOGLIA & SATURAZIONE A soglia: sufficiente una modesta rosoluzione angolare pochi fotoni Vicino alla saturazione: Richiesta ottima risoluzione angolare Aumenta il n. di fotoni th Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

REMINDER Fotoni, E vs l N-fotoni Cerenkov vs l [ E= hc/l l (nm) = 1240 / E(eV) ] N-fotoni Cerenkov vs l visible light n = 1.333 n = 1.000297 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

L’EFFETTO CERENKOV, UN PO’ DI STORIA 1892: Oliver Heaviside – predizione basata sull’ e.m.: le particelle cariche con velocità > velocità luce nel mezzo emettono radiazione e.m. con fronte di propagazione ad angolo fisso rispetto alla traiettoria della particella 1919: Marie Curie - debole luce blu da soluzioni di radio in acqua 1934: Pavel Cerenkov - prova sperimentalmente che la luce osservata è dovuta al movimento degli elettroni Compton e trova la relazione fra angolo Cerenkov e n (indice di rifrazione del mezzo) [PMT non erano ancora stati inventati] 1937: Frank and Tamm - teoria classica dell’effetto Cerenkov e predizione dello spettro 1940: Ginsburg - teoria quantistica dell’effetto Cerenkov 1958: premio Nobel per la fisica a Cerenkov, Frank e Tamm Pavel Cerenkov Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

INIZIAMO A PARLARE DI CONTATORI CERENKOV Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

I RIVELATORI CERENKOV, UN PO’ DI STORIA 1937: Pavel Cerenkov ipotizzò l’utilizzo della radiazione Cerenkov per PID Inizio anni 1940: introduzione dei PMT 1951: J.V.Jelly realizza il primo rivelatore Cerenkov 1955: un rivelatore Cerenkov nell’esperimento della scoperta dell’anti-p 1960: A. Roberts – misura di qC per PID – primo schema di RICH(*) 1977: T. Ypsilantis e J. Seguinot primo RICH operativo 1982: primo RICH in un esperimento, E605 at Fermilab (*) RICH - Ring Imaging CHerenkov Setup sperimentale dell’esperimento che scoprì l’anti-p O. Chamberlain et al., Phys. Rev. 100 (1955) 947 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

I COMPONENTI DI UN CONTATORE CERENKOV RADIATORE qui si produce e trasmette la luce Cerenkov il progetto di un rivelatore nasce dal radiatore FOTORIVELATORE Accoppiamento fra il range di trasparenza del radiatore e quello di efficienza del rivelatore Misure di posizione quando richieste ( OTTICA DI FOLACIZZAZIONE ) quando NECESSARIA E-691 C1 D.Barlett et al., NIMA 260 (1987) 55 MAPMT Hamamatsu R7600-03-M16 COMPASS RICH-1 Photo CERN Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

TUTTO PARTE DALLA SCELTA DEL RADIATORE Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RADIATORI Parametri di scelta Classificazione g soglia (gth) range trasparenza dispersione cromatica (limite intrinseco della risoluzione !) Classificazione 1 < n < 1. 12 (gth >2.15) Gas Liquidi criogenici (He, Ne) Silica aerogel (solo luce visibile) 1.12 < n < 1.35 (1.49 < gth < 2.15) Fluorocarburi liquidi CF4, C2F6, C4F10 a basse temperature C5F12, C6F14 a temperatura ambiente n > 1.33 (gth < 1.52) Liquidi trasparenti (acqua, alcohool, glicerina, idrocarburi) n > 1.46 (gth < 1.37) Solidi trasparenti nel visibile (vetro, plastiche) Solidi trasparenti nell’UV (quarzo) E. KRAVCHENKO @ RICH2007 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

TRASMISSIONE RADIATORI FINESTRE Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

LA DISPERSIONE CROMATICA dn / dE: Equazione di Lorentz-Lorenz f(E) - refrattivita’ molare, in generale ben descritta dal fit a 2 poli di Sellmeier: In un gas ( n-1 << 1 ): n-1 ≈ P / T Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

DISPERZIONE CROMATICA & N. DI FOTONI Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PER LAVORARE NEL VUV COMPASS RICH-1, typical transmission through 1,87 m, corresponding to: H2O: ~1 ppm, O2: ~3 ppm COMPASS RICH-1, typical wavelength (nm) liquid storage tank filters liquifier PLC and electrical installation compressors Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

LE TIPOLOGIE DI RADIATORI CERENKOV Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

LE TIPOLOGIE DI CONTATORI CERENKOV A SOGLIA nb > 1 DIFFERENZIALI Noto p, seleziono un intervallo n ∙ Db , ossia Dqc A IMMAGINE (RICH) - misuro qc Con focalizzazione A fuoco di prossimita’ DIRC Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

CONTATORI CERENKOV A SOGLIA Schema generale Efficienza Statistica Poissoniana Inefficienza efficienza Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

CONTATORI CERENKOV A SOGLIA Fascio non separato di particelle a 1 GeV/c Radiatore: quarzo 96.4 cm Cerenkov con radiatore gassoso per discriminare particelle in fasci secondari variando P posso variare la soglia in g, cioe’ separare a differenti momenti spesso si usa una coppia di contatori per eliminare il fondo dovuto ai raggi d Setup sperimentale dell’esperimento che scoprì l’anti-p O. Chamberlain et al., Phys. Rev. 100 (1955) 947 I contatori CE1 e CE2 della PS Est Hall al CERN – nell’esempio si discriminano gli e- Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

CONTATORI CERENKOV A SOGLIA E-691 a Fermilab ( studio della fotoproduzione di particelle charmate) 2 enormi Cerenkov a soglia a pressione atmosferica  K/p, K/p sep. 5-35 GeV/c PMT e coni di Winston per raccolta luce Fotoni raccolti in media: ~ 2-3 in C1, inefficienza P(2.5) = 8% ~ 3-4 in C2, inefficienza P(3.5) = 3% Winston cone PMT Radiatore - N2 L = 3755 cm Radiatore - N2 : He =20:80 L = 6604 cm senza C1, C2 L  p p con C1, C2 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

CONTATORI CERENKOV A SOGLIA Una versione piu’ moderna: il TIC di CERN-NA44 (ioni pesanti all’SPS del CERN) hadron identification in the 3-8 GeV/c momentum range by the TIC (Threshold Imaging Cherenkov) Localizzazione dei fotoni: permette l’utilizzo con piu’ particelle nell’accettanza del rivelatore Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

CONTATORI CERENKOV DIFFERENZIALI Separazione di particelle cariche in fasci secondari DISC - Differential Isochronous Self Collimating Spazio delle fasi molto ridotto (utilizzo solo su fasci) Record mondiale Efficienza (coincidenza di k PMT) < 90% J. Litt and R. Meunier, Ann. Rev. Nucl. Sci. 23 (1973) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH, PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Ideato da Roberts, 1960 [ A. Roberts, Nucl. Instr. and Meth. 9 (1960) 55 ] Situazione ideale: specchi e rivelatore sferici, rivelatore sulla superficie focale, sorgente delle particelle (bersaglio) nel centro della sfera 2 opzioni traiettoria della particella NOTA, una misura di qC da ogni fotone centro dell’immagine NON dato, devo ricostruire l’anello Rivelatori di fotoni con risoluzione in posizione Traiettorie parallele & uguale p  uguale immagine Silvia DALLA TORRE Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013

I FOTORIVELATORI Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

I FOTORIVELATORI 3 groups (with examples, not exhaustive lists) single photon detectors : the CENTRAL QUESTION since the beginning of the RICH era 3 groups (with examples, not exhaustive lists) Vacuum based PDs PMTS (SELEX, Hermes, BaBar DIRC) MAPMTs (HeraB, COMPASS RICH-1 upgrade) Flat pannels (various test beams, proposed for CBM) Hybride PMTs (LHCb) MCP-PMT (all the studies for the high time resolution applications) Gaseous PDs Organic vapours - in practice only TMAE and TEA (Delphi, OMEGA, SLD CRID, CLEO III) Solid photocathodes and open geometry (HADES, COMPASS, ALICE, JLAB-HALL A) Solid photocathodes and closed geometries (FENIX HBD, even if w/o imaging, COMPASS second upgrade) Si PDs Silicon PMs (only tests) USED SO FAR IN EXPERIMENTS Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PMT Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PMT All’inizio solo PMT a canale singolo (limiti in risoluzione spaziale) Coprire grandi superfici: costi ! Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

<QE> per delivery batch PMT – I FOTOCATODI RMS of batch spread <QE> per delivery batch QE [%] Batch number <QE @ 270nm> = 30.8% STANDARD: peak QE ~ 25% The LHCb-production example: The necessity of deeper contacts and positive feedback loops with industry - New HAMAMATSU photocathodes with peak-values above 40% ! LHCb HPD production by DEP UBA BIALKALI 40 SBA HAMAMATSU 0 20 40 QE (%) 20 400 600 wavelength (nm) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PMT – LE ARCHITETTURE STANDARD MULTIANODO - IBRIDI MAPMT HAMAMATSU R7600-M16 16 anodes time resolution << 1 ns Flat PANNEL HAMAMATSU H8500 64 anodes HPM, LHCb custom 1024 anods Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

MCP – PMT Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

MCP - PMT Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

[… another serious concern is life time … ] MCP-PMTs 1/3 B. Seitz @ TIPP09 good response in magnetic field time resolution the rate response is still a concern [… another serious concern is life time … ] Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

Gain vs B TTS vs B TTS vs Gain MCP-PMTs 2/3 K. INAMI @ TIPP09 HPK6 BINP8 HPK10 Burle25 Diameter: 6mm Diameter: 8mm Diameter: 10mm Diameter: 25mm Gain vs B TTS vs B TTS vs Gain Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

MCP-PMTs 3/3 Enough life-time? K. INAMI @ TIPP09 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

A CACCIA DEL ps MCP: 10 mm Photonis Planacon, with 10+3 mm radiator PSEC Timing – T979 Erik Ramberg @ TIPP09 MCP: 10 mm Photonis Planacon, with 10+3 mm radiator SiPM: Hamamatsu MPPC 3 x 3 mm2 with 6 x 6 x 16 mm3 poly radiator resolution: 47 ps the need of adequate electronics the synergies with PET for MCP detectors : the intrinsic resolution limit due to TTS from the photocathode Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

Si PM Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

Si-PM, considerazioni generali D. ORME @ TIPP09 First large-scale use of SiPMs in a physics experiment : T2K Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

Si-PM per rivelatori Cerenkov a immagine Afterpulsing and cross talk should be taken into account. (H. Haba, RICH2007) ISSUES: Low V operation (10-100 V) Peak PDE (QE x ε_geiger x ε_geo ) up to 65% (@400nm Hamamatsu data sheet), but … Gain ~ 106 time resolution ~/<100 ps Works in magnetic field Small size  light guides High noise rate ~ 100 kHz/mm2 (noise pulse = pe pulse) + Noise rates varying with environmental conditions (T) and aging Radiation damage (p,n) Cross-talk Measured with photocurrent. From HPK catalogue: HC100 HC050 HC025 Otono @PD07 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

Si-PM in un RICH a AEROGEL S. KORPAR @ TIPP09 TEST BEAM test w/o and w/ light guides: Noise rate: 2.4 MHz/ch. Noise & signal (5 ns time window) N_ph, meas. / exp.~ 50-60% Module: 8 x 8 MPPC HC100 Pad size: 5.08 mm 4 mm2 active (15.5% w/o LG) background Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

FOTORIVELATORI A GAS Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PERCHÈ PD A GAS ? In spite of critical aspects and technical challenges, gaseous photon detectors offer: operation in magnetic field the most effective solution for what concerns the cost of large detector area application minimum material budget when the photon detectors have to seat in the experiment acceptance third generation of gaseous photon detectors Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

GRANDI SUPERFICI SENSIBILI ↔ FOTORIVELATORI A GAS photoconverting vapours are no longer in use, last example: CLEO III (rates ! time resolution !) the present is represented by MWPC (open geometry!) with CsI the first prove (in experiments !) that coupling solid photocathodes and gaseous detectors works Severe recovery time (~ 1 d) after detector trips ion feedback  Aging after integrating a few mC / cm2 CsI ion Moderate gain: < 105 (effective gain: <1/2) bombardment The way to the future: photon & ion blocking architectures GEM/THGEM allow for multistage detectors With THGEMs: High overall gain ↔ pe det. efficiency! Good ion blocking (up to IFB at a few % level) IBF control by Micromegas Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

(Tetrakis-Dimethylamine-Ethylene) TEA (Tri-Ethyl-Amine) PD A GAS, IL PASSATO Gaseous photon detectors, the first generation: converting vapours OMEGA E605 SLD - CRID DELPHI CLEO III TMAE (Tetrakis-Dimethylamine-Ethylene) TEA (Tri-Ethyl-Amine) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

Photosensitive volume: DELPHI barrel RICH, NIMA 273 (1988) 247 PD A GAS, IL PASSATO TMAE TMAE QE, NIMA 323 (1992) 351 DELPHI barrel RICH Photosensitive volume: 5 cm thick thick photosensitive volume (slow photon detectors, parallax error) heating and temperature control (T _bubbling <T_operation) photon feed-back from amplification region (protections) chemically extremely reactive cloisons Anode wire DELPHI barrel RICH, NIMA 273 (1988) 247 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL PASSATO TEA CLEO III, NIMA 441 (2000) 374 technical challenges of the far UV domain large chromatic dispersion in far UV region: Proximity focusing (the Chromatic dispersion is not the major resolution limitation) He, a radiator gas with extremely reduced chromatic dispersion Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL PRESENTE MWPCs with solid state photocathode (the RD26 effort) ALICE-HMPID CsI area > 10 m2 TIC, NA44 JLAB-HALL A A solid state photocathode exposed to a gaseous atmosphere in an effective PD: a success ! COMPASS, RICH-1 CsI area > 5 m2 STAR HADES Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

The best quartz cuts here PD A GAS, IL PRESENTE Structure of the PDs @ 2 kV (typical): E (CsI surface) ~ 7 kV/cm Photocathode - the most robust one in gaseous atmosphere: CsI COMPASS, RICH-1 PDs The best quartz cuts here A. Di Mauro, NIM A 525 (2004) 173. P. Abbon et al, NIM A 577 (2007) 455. Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL PRESENTE Reflective versus semi-transparent photocathodes REFLECTIVE - larger photoelectron collection : Semitransparent photocathode - the application of a thin metallic film, which absorbs photons, on the entrance window is required the probability of photoelectron absorption is lower in a reflective photocathode than in a semitransparent one as the conversion probability is the highest at the entrance surface of the photo-converter the thickness of the photo-converter layer is non critical in the reflective configuration, contrary to the semitransparent one: this aspects is very relevant for large area detectors Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

C. D. R. Azevedo et al., 2010 JINST 5 P01002 PD A GAS, IL PRESENTE Photoelectron extraction from a CsI film, the role of gas and E VACUUM Breskin et al., NIM A 367 (1995) 342 C. D. R. Azevedo et al., 2010 JINST 5 P01002 M. Alexeev et al., NIM A 617 (2010) 396 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

La tecnologia dei fotocatodi a CSI di grandi dimensioni evaporazione Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

I fotocatodi non devono essere esposti all’aria CsI: hygroscopic, water degrades QE never exposed to air (max 50 ppm O2 , routinely: 10 ppm) glove box for photocathode mounting photocathode storing PDs CH4 gas system, semiclosed loop with O2 and H2O filters photocathode transportation system Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

H. Hoedlmoser et al., NIM A 574 (2007) 28. PD A GAS, IL PRESENTE MWPCs with CsI photocathode, the limits Severe recovery time (~ 1 d) after detector trips Ion accumulation at the photocathode moderate gain: ≈ a few times 104 Feedback pulses (effective gain: <1/2) Ion and photopns feedback from the multiplication process not fast Aging after integrating a few mC / cm2 Ion bombardment of the photocathode 0.2 mC/cm2 MWPCs  slow signal formation + low gain  “slow” electronics (signal integration, low noise level) Gassiplex FE : integration time ~ 0.5 ms, time res> 1 ms APV (COMPASS RICH-1 upgrade) : resolution ~ 400 ns  Detector memory, i.e. not adequate for high rates 1 mC/cm2 H. Hoedlmoser et al., NIM A 574 (2007) 28. Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO TWO REQUESTS Reduced photon and Ion BackFlow (IBF) Reduced aging High gain  high photoelectron detection efficiency Intrinsically fast gaseous detectors (signal due to electron motion) Short integration time High rate environments MICROPATTERN GASEOUS DETECTORS Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO Vi presento il moltiplicatore di elettroni GEM e- Electrons Ions 60 % 40 % Induction gap e- I+ 70 µm 55 µm 5 µm 50 µm foglio di poliimmide metalizzato, foratura con attacco chimico S. Bachmann et al., NIMA A479(2002)294 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

A. Breskin and R. Chechwik, NIM A 595 (2008) 116 PD A GAS, IL FUTURO First developments … GEM-based PDs No photon feedback! ion avalanche Semi-transparent PC Reflective PC e- avalanche A. Breskin and R. Chechwik, NIM A 595 (2008) 116 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO B≈0 … and applications: PHENIX HBD, ~ 1 m Cherenkov blobs e+ e- B≈0 … and applications: PHENIX HBD, a threshold Cherenkov counter (window-less) Central message for any similar application Reversed bias cuts the MIP signal ! Aspects non exportable to imaging devices: detection of >> 1 photon per pad: low gain (5000) non negligible noise level (~20% single photon signal) detect photons with l down to ~110 nm: chromaticity ! HV CsI Transparent mesh 90% Standard Bias Reverse Bias MIP A. Milov et al. J. Phys. G34, S701 2007 I. Tserruya, RICH2010 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO rich literature about IFB in GEM-based detectors IA Ibottom3 Itop1 strong dependence from gain and EDRIFT poor dependence from pressure and gas type E ~ 1 kV/cm needed for good photoelectron extraction ED = 0.5 kV/cm ED = 0.1 kV/cm 10-3 10-2 10-1 10-3 10-2 10-1 The same for reflective PCs : small and reversed ED is needed IBF: a few % level in effective GEM-based photon detectors A. Bondar et al., NIMA 496 (2003) 325 A. Breskin et al., NIMA 478 (2002) 225d Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO More complex geometries needed: Micro-Hole & Strip Plate (MHSP), COBRA MHSP J.F.C.A. Veloso et al., Rev.Sc. Instr. 71 (2000) 2371 A.V. Lyashenko et al., JINST 2 (2007) P08004 COBRA A.V. Lyashenko et al., NIMA 598 (2009) 116 A.V. Lyashenko et al., NIMA 598 (2009) 116 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

About PCB geometrical dimensions: PD A GAS, IL FUTURO Thick GEM – THGEM PCB technology, thus: robust mechanically self supporting industrial production of large size boards economic Comparing to GEMs Geometrical dimensions X ~10 But e- motion/multiplic. properties do not! Larger holes: dipole fields and external fields are strongly coupled About gain: Large gains are easily obtained (rim !) About PCB geometrical dimensions: Hole diameter : 0.2 – 1 mm Pitch : 0.5 – 5 mm Thickness : 0.4 – 3 mm RIM introduced in // by different groups: L. Periale et al., NIM A478 (2002) 377. P. Jeanneret, PhD thesis, Neuchatel U., 2001. P.S. Barbeau et al, IEEE NS50 (2003) 1285 R. Chechik et al, .NIMA 535 (2004) 303 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO THGEM The first phase of the systematic studies is entirely due to the Weizmann group R. Chechik et al., NIMA 553 (2005) 35 M. Alexeev et al., NIMA 617 (2010) 396 Gain vs time 0.1 mm rim no rim Tripple THGEM: Ion Back Flow by staggering plates M. Alexeev et al., JINST 7 (2012) C002014 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO Schema del PD a THGEM THGEM-PD & fotoni Cerenkov THGEMs Dim: 0.4 mm Pitch: 0.8 mm Thickn.: 0.4mm Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO Un’altra via per bloccare IBFcon MPGD: MICROMEGAS R-O strip (anodo) mesh (catodo) Parallel Plate (gap ~ 100 mm) ↑ Ea ↑ Ed Ionizzazione e drift (gap ~ 3-5 mm) e- ioni + x = Ea/Ed transmission (%) IBF ~ 1% e meno ! S. Mukhopadhyay, N. Majumdar 12th RD51 Collaboration meeting x = Ea/Ed ~ 50  trasparenza per gli e- soppressione del ritorno degli ioni + Y. Giomataris et al, NIMA A376 (1996) 29 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

PD A GAS, IL FUTURO COMPASS RICH-1 l’approccio ibrido : THGEM + MICROMEGAS F. Tessarotto @ MPGD2013 radiator: C4F10 5 m 6 m 3 m MWPC’s + CsI UV mirror wall radiator gas: C4F10 PMTs beam pipe THGEMs + CsI COMPASS RICH-1 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

QUALCHE PAROLA SULL’OTTICA Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

COMPASS RICH-1, IL SISTEMA DEGLI SPECCHI 1/2 average on 126 mirror units at production ‘VUV mirror wall’, 21 m2,116 mirrors radius: 6.6 m reflectance stable in time 2000 = @ COATING 2000 reflectance 2001 2002 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

COMPASS RICH-1, IL SISTEMA DEGLI SPECCHI 2/2 the elements of this modular structure THICKNESS mechanics: 2.5 % X0 mirrors ~5.5 % X0 STABILITY: after an initial deformation ~1 mrad, stable: 0.1 mrad over ~ 3.5 y individual mirror support assembly jig mirror wall mechanics, assembling mirror rear side regulation for angular alignment, 2 orthog. movements mirror wall mechanics, assembled Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

LA FAMIGLIA DEI RICH Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

LA FAMIGLI DEI RICH Proximity focusing With focalization DIRC thin radiator (liquid, solid) Effective at low momenta (p < 5-6 GeV/c) EXAMPLES: STAR, ALICE HMPID, HERMES, CLEO III With focalization Extended radiator (gas) the only approach at high momenta (p > 5-6 GeV/c) EXAMPLES: SELEX, OMEGA, DELPHI, SLD-CRID, HeraB, HERMES, COMPASS, LHCb DIRC Quartz as radiator and as light guide Effective at low momenta (p < 5-6 GeV/c) The only existing DIRC (so far) was in operation at BABAR Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH CON FOCALIZZAZIONE: ESEMPI STORICI Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

SELEX SELEX (E 781) a Fermilab Studio di barioni charmati RICH 10 m He n_ph (b=1) : 13.6 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

OMEGA OMEGA spettrometro multipurpose all’SPS del CERN (esp. WA 69, 82, 89, 94) fisica della spettroscopia h (s,c) ioni pesanti il RICH di OMEGA radiatore: N2; N2 + C2 F6 specchi sferici, f = 5 m TPC a 40 gradi CH4 + C4H10 + TMAE (15 gradi) C2H6 + TMAE (30 gradi) separazione p-K 15-100 (150) GeV/c <n_ring> = 16 - 20 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH CON FOCALIZZAZIONE: UN ESEMPIO ATTUALE Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH CON FOCALIZZAZIONE: COMPASS RICH-1 mirror wall vessel radiator: C4F10 photon detectors: CsI MWPC p K in operation at COMPASS since 2001 PERFORMANCES: photons / ring (b ≈ 1, complete ring in acceptance) : 14 sq-ph (b ≈ 1) : 1.2 mrad sring (b ≈ 1) : 0.6 mrad 2s p/K separation @ 43 GeV/c PID efficiency > 95% (q particke > 30 mrad) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

COMPASS RICH-1 – UPGRADE 1/2 Large uncorrelated background in the forward direction (m beam halo) UPGRADE overlap of event images Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

COMPASS RICH-1 – UPGRADE 2/2 photons MAPMT concentrator field lens Technical data Hamamatsu 16 anode PMTs (R7600 – UV extended glass) quartz optics surface ratio 1:7 ($ !) wide angular acc. (± 9.5 degrees) high sensitivity pre-amplifier fast, high time resolution digital electronics dead zone: 2% even with 46 mm pitch About performance photons / ring (b ≈ 1, complete ring in acceptance) : 56 time resolution better than 1 ns sq-ph (b ≈ 1) : 2 mrad sring (b ≈ 1) : 0.3 mrad 2s p/K separation @ 55 GeV/c PID efficiency > 95% (also < 30 mrad) online event display Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

COMPASS RICH-1 UPGRADE, IMMAGINI lo stesso evento, finestra di 100 ns 10 ns n_ph ~ 60 fotoni per anello Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

COMPASS RICH-1 UPGRADE, IMMAGINI Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH CON FUOCO DI PROSSIMITA’ Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

LO SVILUPPO DEL FAST RICH A TEA proposto e sviluppato per una B-factory al PSI (Svizzera), mai realizzata idee base: usare TEA: a 20 gradi, lunghezza di assorbimento: 0.56 mm  breve drift degli elettroni  buona temporizzazione usare una lettura a PAD  read-out veloce prototipo schema: proximity focusing p-K separazione (3s) fino a 3.5-4 GeV/c radiatore: LiF, CaF2 sviluppo di un elettronica dedicata Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

CLEO III Upgrade di CLEO II a CESR – B-factory asimmetrica Matrice CKM Violazione CP Decadimenti rari dei B separazione p-K a 4 s fino a 2.65 GeV/c Proximity focusing LiF taglaito a denti di sega per far uscire la luce prodotta da particelle ad incidenza normale CH4 + TEA a 18 gradi Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

CLEO III, esempi di immagini radiatore a denti di sega radiatore piano Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

UN RICH A FUOCO DI PROSSIMITA’: HMPID DI ALICE EXPECTED PID: K/π up to 3 GeV/c p/π up to 5 GeV/c Confirmed by STAR RICH : an HMPID prototype Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

UN RICH A FUOCO DI PROSSIMITA’: HMPID DI ALICE .5<p<.75 GeV/c 12% occupancy 1.5<p<1.75 GeV/c p Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

DIRC RICH a PMT, ricordiamo l’uso nell’ esperimento : BABAR (concluso) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

Cos’e’ un DIRC ? una frazione della luce prodotta e’ guidata al sistemna di PMT posto ad un estremo grazie alla precisione meccanica della barra, la direzione non si modifica (a parte l’ambiguita’ destra/sinistra) la ricostruzione avviene grazie alle coordinate del PMT e alla tempo di arrivo del segnale Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

IL DIRC DI BABAR BABAR Esperimento alla B-factory PEP-II a SLAC Studi di violazione di CP nel sistema del B DIRC 144 barre di 4.9 m (4 pezzi incollati) in flusso di N2 acqua purificata all’estremo n_ph (b = 1) = 23 ricostruzione algebrica dell’immagine che non e’ piu’ un anello! separazione p/K a 2 s fino a 4 GeV/c Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

BABAR DIRC The only DIRC ever built and operated ! p/K separation power K ID efficiency p miss- Id as K Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH CON RADIATORE MULTIPLO Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

DELPHI (prototipo, barrel, forward) DELPHI al LEP (collisionatore circolare e+ e-), CERN studio sistematico del bosoni vettori della forza debole molta altra fisica in particolare i RICH usati per la spettroscopia dei quark pesanti separazione p,K,p fra 0.3 e 40 GeV/c  radiatore duale lungo percorso di deriva dei pe (=fotoelettroni) : fino a 1.6 m delicate calibrazioni e monitoring: velocita’ di drift, allineamenti risposta lenta conversione, deriva, moltiplicazione in CH4 +TMAE delicate calibrazioni e monitoring: indici di rifrazione, trasparenza, temperatura, pressione GUARDIAMO IN PARTICOLARE IL RICH BARREL DI DELPHI Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

DELPHI _ BARREL RICH Radiatore liquido : 1 cm di C6F14 Radiatore gassoso: C5F12 (@ 40 gradi) E_drift = 0.6 kV/cm (100 kV in totale !) massimo tempo di drift: 25 ms moltiplicazione e rivelazione: camera multifili a elettrodi ciechi Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

DELPHI RICH BARREL, eventi Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

DELPHI RICH BARREL, q vs p radiatore liquido radiatore gassoso Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH CON RADIATORE DUALE: I RICH DI HERMES Other examples: DELPHI RICHes, LHCb RICH1 First RICHes using aerogel HERMES: 2 identical RICH counters Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH CON RADIATORE DUALE: I RICH DI HERMES DATA at saturation: <n.ph.s_aerogel>: ~8 Calculation: effective range of separation K ID efficiency K missID efficiency DATA p missID efficiency p: no ID efficiency Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RADIATORI MULTIPLI Another example: LHCb RICHes Aerogel (RICH1) C4F10 CF4 (RICH2) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

LHCb RICH 1 RICH 2 Esperimento LHC 2 RICH Fisica del B a LHC radiatori aerogel + C4F10 CF4 doppia riflessione per limitare l’aberrazione sferica rilevatori di fotoni HPD RICH 2 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RADIATORI MULTIPLI LHCb - RICHes Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

I RICH per VOLARE RICH per volare, ricordiamo l’uso negli esperimenti : CAPRICE su palloni stratosferici (concluso) AMS, sullo Shuttle Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

CAPRICE, AMS CAPRICE AMS Radiazione cosmica Radiazione cosmica Separazione pbar, e-, m-, p- 1-5 GeV/c Radiatore NaF C4F10 Fotorivelatore: MWPCa 45 gradi: C2H6 + TMAE (38 gradi) MWPC con CsI AMS Radiazione cosmica separazione ioni relativistici (A≤15), 1< p/A<10 GeV/c Radiatore NaF + aerogel C4F10 Fotorivelatore: MAPMT Radiator(s) Conical mirror Photodetector plane (680 MAPMTs) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH per l’identificazione di ioni pesanti relativistici RICH per ioni pesanti relativistici, ricordiamo l’uso negli esperimenti : CAPRICE su palloni stratosferici (concluso) AMS 2, sullo Shuttle (attivo) HIRICH al GSI (concluso) Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

IONI PESANTI RELATIVISTICI N_photon proporzionale a Z2 !  in questo caso contare I fotoni rivelati e’ una tecnica vincente C Li Si-P ? AMS test beam (al CERN, fascio di ioni pesanti): 20 GeV/N Cherenkov rings 6 He ~Fe ? 3 >~16 Z 2 >16 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

NUOVE ARCHITETTURE Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

A breakthrough in the next future? For future applications The new concepts of DIRC family COMPLEMENTING or ALTERNATIVE possibilities with TOF Multiple refractive index Aerogel for proximity focusing RICH (FARICH, BELLE upgrade) required ~ 10 ps t resolution Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

FOCUSING DIRC σ=10.4mrad σ=6.9mrad σ=7.5mrad σ=5.5mrad J. Schwiening @ RICH2007 A general upgrade of the DIRC concept: Future DIRC needs to be smaller and faster Focusing (to remove the bar thickness dependence) and smaller pixels can reduce the expansion volume by a factor of 7-10 Faster PMTs to remove chromatic dependence and reduce sensitivity to background. Photon detectors Hamamatsu H-9500 MaPMTs Burle-Photonis MCP-PMT mineral oil θc (mrad) All pixels: 3mm pixels only: Correction off: Correction on: σ=10.4mrad σ=6.9mrad σ=7.5mrad σ=5.5mrad Position 1 Lpath≈10m Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

THE TOP CONCEPT DIRC: large screen ! TOP test beam simulation K. Inami @ RICH2007 test beam Second coordinate from time measurement: due to the different Cherenkov angle the light path has a different length simulation Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

TOF vs CHERENKOV IMAGING Key points: fast Cherenkov light rather than a scintillation new detectors able to provide s ~/< 10 ps Fast electronics Adequate for low momenta TOF, 20 ps TOF, 15 ps TOF, 10 ps Aerogel (Novosibirsk) MC TOF, 5 ps Babar DIRC Aerogel (Japan) Test beam TOF, 1 ps dE/dx, 100 meas.s J. Va’vra @ RICH2007 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

AREOGEL CON DIVERSI INDICI DI RIFRAZIONE (Recall: pmaxns ~ 1/√sring ) p/K separation with focusing configuration ~ 4.8s @4GeV/c Conventional 4cm thick aerogel n=1.047 sc=22.1mrad Npe=10.7 Multiple Radiators sc=14.4mrad Npe=9.6 2 layers of 2cm thick n1=1.047, n2=1.057 T. Iijima @ RICH2007 Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RICH & FISICA Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

I RICH PER NUCLEI & PARTICELLE Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

RIVELATORI CERENKOV NELLE ASTROPARTICELLE Flying spectrometers to study CR composition Caprice, AMS, CREAM (Solar and) cosmic n telescopes Super-K , Tunka, Amanda, Antares, Nemo, KM3Net High energy gamma-ray astonomy Auger, HESS, MAGIC, VERITAS observatory, CANGAROO-III These experiments are totally based on the detection of the Cherenkov radiation! Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE

GRAZIE della vostra attenzione ! Scuola Bonaudi, 22-25 ottobre 2013 Silvia DALLA TORRE