Identificazione di particelle L’identificazione di particelle è un aspetto importante negli esperimenti di fisica delle alte energie. Alcune importanti quantità fisiche sono accessibili soltanto con una sofisticata identificazione del tipo di particella: fisica del B, violazione di CP, decadimenti esclusivi e rari. Generalmente si vuole discriminare: p/K, K/p, e/p, g/p0 ….. Il metodo di identificazione usato dipende fortemente dalle energie implicate. A seconda del particolare processo di fisica sotto studio bisogna ottimizzare o l’efficienza o la mis-identificazione:

Identificazione di particelle Why particle ID ? DELPHI Un decadimento del B 1 K + 2 p in final state

Identificazione di particelle Who is who ? dE/dx : misura di g RICH: contatori Cerenkov (misura di b)

Identificazione di particelle Per identificare una particella carica (massa e carica) dobbiamo usare 2 diversi dispositivi, in quanto dobbiamo determinare 2 quantità. L’impulso della particella è, in generale, determinato dalla deflessione della particella in un campo magnetico. Noto l’impulso e la carica devo eseguire un’altra misura per determinare la massa.

Identificazione di particelle Metodi: Tempo di volo dE/dx Radiazione di transizione Čerenkov p K m

Identificazione di particelle Tempo di volo (TOF). Necessaria un’ottima risoluzione temporale ( 300ps sono facilmente raggiungibili con dei contatori a scintillazione). Se 2 particelle di massa m1 ed m2 hanno lo stesso impulso e percorrono la stessa distanza L la differenza di tempo t1-t2=Dt sarà : Si sono assunte particelle relativistiche ( E~pc ovvero mc2<<pc) e si è sviluppato in serie fermandosi al primo ordine. start stop

Identificazione di particelle usando scala logaritmica: Dt for L = 1 m di lunghezza di traccia st = 300 ps p/K separation up to 1 GeV/c (1s)

Identificazione di particelle CERN NA49 (Ioni Pesanti) Ma NA49 ha anche delle TPC  identificazione di particelle anche con dE/dx NA49 combined particle ID: TOF + dE/dx (TPC)

Uno dei più sofisticati rivelatori a ionizzazione è la Time Projection Chamber o TPC. Questo dispositivo è un rivelatore di tracce tridimensionale capace di fornire informazioni su diversi punti della traccia della particella insieme ad informazioni sulla perdita specifica di energia, dE/dx. TPC Le particelle passano attraverso il cilindro producendo elettroni liberi che derivano verso i terminali per essere poi rivelati dai fili-anodo. Una coordinata è data dalla posizione del filo colpito, mentre una seconda è ottenuta dal segnale indotto sui pad-catodo. La terza coordinata è invece data dal tempo di deriva degli elettroni di ionizzazione lungo l'asse del cilindro.

Identificazione di particelle log scale ! Esempio : TPC di ALEPH Gas: Ar/CH4 90/10 Npunti=338, spaziatura dei fili 4mm

Identificazione di particelle dE/dx Con misure simultanee di p e dE/dx trovo la massa della particella e quindi identifico il tipo di particella. e p/K separation (2s) requires a dE/dx resolution of < 5% m m m p p p K K K Grosse fluttuazioni+ code di Landau Average energy loss for e,m,p,K,p in 80/20 Ar/CH4 (NTP) (J.N. Marx, Physics today, Oct.78) p p p La misura si esegue in un gas per ridurre l’effetto densità.

Identificazione di particelle dE/dx puo’ anche essere misurato con apparati al silicio Esempio: Microvertice di DELPHI (4x300 mm di silici)

Contatori a radiazione di transizione (TRD) A transition radiation detector (TRD) is a particle detector utilizing the γ-dependent threshold of transition radiation in a stratified material. It contains many layers of materials with different indices of refraction. At each interface between materials, the probability of transition radiation increases with the relativistic gamma factor. Thus particles with large γ give off many photons, and small γ give off few. For a given energy, this allows a discrimination between a lighter particle (which has a high γ and therefore radiates) and a heavier particle (which has a low γ and radiates much less).

Contatori a radiazione di transizione (TRD) Ricordiamo:  Energia irraggiata per ogni superficie di separazione medium/vacuum  Numero di fotoni emessi per superficie di separazione è piccolo Servono molte superfici di separazione  costruire una pila di fogli separati da un sottile strato di aria  I raggi X sono emessi con un massimo a piccoli angoli q1/g  la radiazione sta vicino alla traccia

Contatori a radiazione di transizione (TRD) Spettro di emissione della radiazione Energia tipica  Fotoni di alcuni KeV (Dai 3 ai 30 KeV) Spettro di emissione (simulato) di un foglio di CH2

Contatori a radiazione di transizione (TRD) Radiatore: il meglio è il Litio, ma fortemente igroscopico Gruppi di fogli di CH2 sono i preferiti (basso costo, sicuri, facili da fare) Materiale a basso Z  piccolo riassorbimento (≈ Z5 ) R D R D R D sandwich of radiator stacks and detectors  minimize re-absorption

Contatori a radiazione di transizione (TRD) zona di formazione Neff Parte della radiazione è riassorbita il numero di fogli è limitato anche se Neff=∞ basso Z  minore riassorbimento. (fogli di litio o berillio) Spessore dei fogli di CH2 ~20 mm (zona di formazione). Le gap di aria devono essere ~ 1mm. Se i fogli e le gap sono << della lunghezza di formazione  segnale fortemente diminuito per effetti di interferenza

Contatori a radiazione di transizione (TRD)

Contatori a radiazione di transizione (TRD) Una possibile geometria (schematica) Possibili 2 modi di lettura: Metodo della carica. Si integra tutta la carica raccolta per TR e dE/dx ( al di sopra di una certa soglia). Si applicano dei tagli per le particelle con solo dE/dx.  limitato dalle code di Landau.( metodo principalmente usato) Conteggio dei cluster. Si identificano i singoli cluster di ionizzazione primaria. Si contano i cluster al di sopra di una certa soglia. Minor fondo (il numero di cluster è distribuito alla Poisson), ma serve elettronica veloce e geometria speciale delle camere

Contatori a radiazione di transizione (TRD) ATLAS Transition Radiation Tracker A prototype endcap “wheel”. X-ray detector: straw tubes (4mm) (in total ca. 400.000 !) Xe based gas

Contatori a radiazione di transizione (TRD) TRT protoype performance Pion fake rate at 90% electron detection efficiency: p90 = 1.58 %