P. Ciambrone, G. Corradi, E. Pace, INCONTRI Di FISICA Rivelazione di Raggi Cosmici con Camere a Fili P. Ciambrone, G. Corradi, E. Pace, C. Petrascu LNF – INFN, 16-17 Settembre, 2002

Contenuto Idee generali alla base della rivelazione di particelle; INCONTRI Di FISICA Contenuto Idee generali alla base della rivelazione di particelle; In passaggio delle particelle all’interno dei materiali: principi generali; I rivelatori a gas; Tipi di rivelatori a gas e esperimenti che li usano Presentazione generale del progetto: apparato sperimentale, l’elettronica associata e l’acquisizione dei dati sul computer; Particelle da rivelare: raggi cosmici – generalita’; Progetto per le misure da effetuare nel laboratorio il 17 Settembre;

1) Idee generali alla base della rivelazione di particelle

Cosa sono i rivelatori di particelle I K p m I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici inventati per poter misurare i deboli segnali prodotti dalle particelle sub-atomiche. grazie ai rivelatori di particelle e` stato possibile “vedere” le particele sub-atomiche e determinare le loro caratteristiche. ATLAS @ LHC Esistono rivelatori diversi con caratteristiche specifiche ottimizzate per effettuare le misure necessarie; nei moderni esperimenti di fisica si usano insiemi complessi di piu` rivelatori. Combinando opportunamente i dati rivelati si e` in grado di determinare traiettorie, velocita`, masse, cariche elettriche.

Cosa sono i rivelatori di particelle II Il rivelatore ideale di particelle ha le seguenti caratteristiche: accettanza completa e fitta segmentazione ricostruisce le tracce ed identifica tutte le particelle effettua misure di impulso e/o di energia ha tempo morto nullo  velocita` di risposta elevata Si utilizzano rivelatori magnetici per determinare la cariche e l’impulso delle particelle Maggiore impulso Minore

2) In passaggio delle particelle all’interno dei materiali: principi generali

Rivelazione di particelle: principi generali I processi che ci permettono di rivelare le particelle sub-nucleari sono diversi: Le particelle cariche sono rivelate attraverso la loro interazione elettromagnetica con gli elettroni atomici dei mezzi attraversati I fotoni vengono rivelati indirettamente attraverso gli elettroni che essi producono per effetto fotoelettrico, diffusione Compton o produzione di coppie I neutroni subiscono interazioni forti con i nuclei dei materiali producendo particelle secondarie cariche Le particelle piu` difficili da rivelare sono i neutrini che possono avere solo interazioni deboli con i nuclei o gli elettroni. In questi processi si ha l’emissione di leptoni

La formula di Bethe-Bloch per la perdita d’energia dx Dipende solo da b non da m Esprime la perdita di energia per ionizzazione di una particella carica “pesante” (m>>me) I < dE < Tmax I pot. di eccitazione medio I  I0 Z ; I0 = 10 eV Per e+ e- la massa del bersaglio e del proiettile sono uguali, ed inoltre si deve tener conto del fenomeno Bremsstrahlung. dE dx   = -4p NAre2 me c2 z2 1/2 ln Tmax - b2 - d/2 Z Ab2 2me c2g2b2 I2    

Perdita di energia di elettroni e positroni dE dx   = E X0 X0 = 716.4 g cm -2 A Z (Z+ 1) ln (287/  Z) Lunghezza di radiazione ZA e g Per energie di elettroni/positroni > 10 MeV entra in gioco il fenomeno della Bremsstrahlung emissione di fotoni dovuta all’effetto accelerante del campo Coulombiano dei nuclei

Rivelazione di fotoni Per poter essere rivelato un fotone deve creare o cedere energia ad una particella carica X X- e- Effetto fotoelettrico g + atomo  ione+ + e- Vengono estratti principalmente elettroni delle shell K sfoto  Z5 qg Diffusione Compton e g + e  g’ + e’ s compton E` un fenomeno di diffusione da parte di un elettrone quasi libero Z Produzione di coppie g + campo Coul.  e+ + e- Solo se Eg > mec2

Rivelazione di adroni Gli adroni subiscono interazioni nucleari che determinano eccitazione o rottura del nucleo. Z,A Adrone p+ p- p0 n p La molteplicita`  ln(E) la = A NA sinel In analogia con l’interazione elettromagnetica si definisce il coefficiente di assorbimento adronico

Rivelazione di neutroni Non avendo carica l’interazione dei neutroni e` basata su interazioni forti e deboli Reazioni attraverso le quali e` possibile rivelare i neutroni: n + 6Li  a + 3He n + 10B  a + 7Li n + 3He  p + 3H n + p  n + p  En < 20 MeV En < 1GeV …inoltre per neutroni termici (En 1/40 eV) si possono avere fenomeni di fissione e per neutroni En > 1GeV fenomeni di cascata adronica

Rivelazione di neutrini Come per i neutroni anche i neutrini sono rivelati con processi indiretti n l + n  l - + p n l + p  l + + n l = e, m, t La sezione d’urto del processo n e+ n  e- + p e` circa 10-43 cm2 l’efficienza di rivelazione  1 m di Ferro e  5  10 -17 NA A e = s  r d Per rivelare i n occorrono flussi elevati e rivelatori estremamente massicci (ktons) In esperimenti agli acceleratori, dove si disponga di detector “ermetici”, le proprieta` dei neutrini possono essere dedotte indirettamente una volta che si sono misurate tutte le altre particelle presenti nell’evento

3) Rivelatori a gas

Rivelatori a gas + - recipiente contenente gas alimentatore L’elettrone, libero, sente il campo elettrico, e viene accelerato; colpendo gli altri atomi del gas produce una valanga di elettroni 107÷8 particella carica e+, e-, m+, p etc uno degli atomi del gas, viene ionizzato ADC analisi e archivio 0/1 segnale elettrico

Rivelatori a gas I GAS Spesso gli elettroni prodotti hanno sufficiente energia per effettuare ulteriori ionizzazioni le particelle cariche attraversando un gas lo ionizzano Ionizzazione primaria Ionizzazione totale  3, 4 volte ionizzazione primaria Z ntotal = DE Wi Wi = potenziale di estrazione DE = dE/dx Dx Una m.i.p perde circa 2 MeV in un cm di Ar  100 coppie e- /ione troppo poche per essere rivelate  occorre amplificare il segnale Si usano gas nobili perche` avendo le shell complete dissipano l’energia trasferita solo attraverso la ionizzazione. Si aggiungono basse percentuali di idrocarburi per evitare scariche. e- catodo Cu 7.7 eV Ar 11.e eV

Rivelatori a gas II GAS Regione Geiger. La scarica interessa tutta la lunghezza del filo e viene interrotta interrompendo HV E` detta anche regione di “streamer limitato” si formano piu` valanghe e si perde la proporzionalita` Si ha moltiplicazione delle cariche prodotte dalla ionizzazione primaria con produzione di una “valanga” ampl  DE + - La carica e` raccolta senza moltiplicazione

4) Tipi di rivelatori a gas ed esperimenti che gli usano

Multiwire Proportional Chambers G. Charpack et al. 1968. Premio Nobel 1992 catodo L d Fili anodici Distribuzione delle linee di campo in una MWPC la spaziatura fra gli anodi e` di 2 mm Le migliori risoluzioni spaziali ottenute sono ~ 100 mm Una delle “low mass MWPC” dell’esperimanto FINUDA La coordinata z puo` essere determinata in vari modi: divisione di carica (fili resistivi ~ 2KW/m) tempo di arrivo alle due estremita` del filo piani incrociati di fili induzione su strisce catodiche segmentate traccia y L QA QB y L = QB QA + QB

Camere a deriva La traccia della particella si ricostruisce attraverso la misura del tempo di deriva rispetto ad un riferimento esterno: x =  vd(t) dt Regione di deriva a alto campo anodo deriva a basso campo x scintillatore ritardo start stop T D C Con I suoi 52140 fili la camera a deriva di KLOE e` la piu` grande finora costruita Geometria degli straw tube dell’esperimento FINUDA Gli straw tubes sono camere a deriva cilindriche “moncanale”. Per ottenere Informazioni sulle diverse coordinate spaziali si possono usare piani I ncrociati di tubi.

Time Projection Chamber E` l’unico rivelatore a gas che permette di ricostruire le tracce in 3D. Si tratta di un grosso volume di gas separato da un setto a potenziale negativo. Le cariche create dalla ionizzazione migrano verso i “piatti” terminali che sono segmentati ed equipaggiati con MWPC . Novita`principale: campo elettrico e campo magnetico paralleli  si riduce enormemente il fenomeno della diffusione. gas con alta purezza (no impurita` el. neg.) controlli precisi di pressione e temperatura Occorre cononscere con precisione la velocita` di deriva  Problemi di deriva degli ioni negativi PEP- 4 TPC Vg  150 V Elettrodo negativo Le coordinate x-y si ottengono dagli hit sui fili e sul catodo segmentato delle MWPC poste sui piatti, la z dal tempo di drift. Si fanno anche misure di dE/dx

Identificazione

Ricostruzione dell’evento 1 cm -1cm +1cm e+ e-  q q si no e+ e-  m+ m- si e+ e-  e+ e- si no Esperimento ALEPH 1988-2001

5) Presentazione generale del progetto: apparato sperimentale, l’elettronica associata e l’acquisizione dei dati sul computer

6) Particelle da rivelare: raggi cosmici

I “raggi cosmici” sono stati scoperti da Victor Hess, Universita’ di Vienna, (Nobel 1936) in 1912 in un’esperimento con un elettroscopio lanciato a 5 km di altezza in un pallone I raggi cosmici primari sono delle particelle cariche (soprattutto protoni) di alta ed altissima energia.

All’arrivo nell atmosfera terestre (che ci protegge) interagiscono con le molecolle e gli atomi dell’atmosfera creando le cosiddette “cascate di particelle secondarie”. Al livello del suolo arrivano queste particelle secondarie (soprattutto dei muoni) – vedi figura che segue.

Cascata prodotta da un raggio cosmico primario all’arrivo nell’atmosfera terestre

L’origine dei raggi cosmici: provengono dalla nostra Galassia: - il sistema solare (il sole); - altre stelle; - esplosioni di supernovae (remnants); - altri sorgenti piu’ esotiche: stelle di neutroni; bucchi neri….. - lo spazio interstellare (anomalous cosmic rays)

Il loro studio e’ importante e ci sono tanti esperimenti fatti apposta per studiarle, perche’ offrono un’opportunita’ unica per lo studio di particelle in un range di energia non ancora accessibile sulla Terra, nonche’ per capire meglio la loro origine, quindi per studi di Astrofisica e Cosmologia. Inoltre vengono usati per la calibrazione di vari rivelatori.

Quanti ci sono? Flusso dei raggi cosmici (soprattutto muoni) al livello del suolo e’: 1 raggio cosmico/min/cm2 (vuol per esempio dire che mentre dormiamo siamo attraversati da un millione di particelle cosmiche) Per quel che riguarda il nostro studio ci interessa anche la distribuzione angulare: va come cos2q (angolo con la verticale)

Per alcuni esperimenti che studiano eventi molto rari i raggi cosmici sono “fastidiosi”. Serve eliminarli: - attraverso il trigger; - facendo degli esperimenti sotto-suolo: Gran Sasso, vedi figura.

Underground Laboratories Gran Sasso Proprio con lo scopo di osservare il decadimento del protone, alla fine degli anni Settanta, s’inaugurò l’era dei laboratori sotterranei, con lo scopo di proteggere i rivelatori di particelle dalla pioggia dei raggi cosmici, creando le condizioni di quiete richieste dalla rarità delle osservazioni. Evento raro

7) Progetto per le misure da effetuare nel laboratorio il 17 Settembre

Misure da effettuare nel Laboratorio noi vi proponiamo: Visualizazione dei segnali di uscita con l’oscilloscopio e calcolo dell’ampiezza del segnale; Lo studio della variazione del segnale con la tensione di alimentazione e la miscella di gas; Calcolo del flusso di particelle rivelate in coincidenza dalle tre camerette e comparazione col flusso di raggi cosmici notto (l’efficienza delle camerette); La distribuzione angolare dei raggi cosmici; Lo studio dello schermaggio dei raggi cosmici con lastre di piombo;

Misure da effettuare nel Laboratorio se c’e’ tempo Misura delle particelle provenienti da una sorgente: la dipendenza delle distanza fra la sorgente e il rivelatore; Le vostre proposte….

Bibliografia  Libri di Testo W. Blum, L. Rolandi, Particle detection with drift chambers, Springer Verlag, 1993 . K. Kleinknecht, Detectors for particle radiation, 2nd edition, Cambridge University press 1998 W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, 2nd edition, Springer 1994  Articoli di rassegna Experimental techniques in high energy physics, T. Ferbel (editor), World Scientific 1991 Instrumentation in High Energy Physics, F. Sauli (editor), World Scientific 1992 Altre fonti Review of Particle Physics, (Eur. Phys. Jou. C, Vol. 15 N.1- 4, 2000) http://training.web.cern.ch/Training/ACAD/Transparencies/Joram300398/pd1/index.html The Particle Detector Briefbook, http://rkb.home.cern.ch/rkb/titleD.html TERA foundation home page http://www.tera.it/index_it.html