RIVELATORI Rivelatori a ionizzazione Scintillatori Semiconduttori Camere con gas Cerenkov Transition radiation Calorimetria Calorimetri e.m. Calorimetri adronici EAS Compensazione nella calori- metria Spettrometri magnetici.

17/03/11 17/03/11 17/03/11 RIVELATORI Dispositivi adatti a rivelare il passaggio delle particelle. A scintillazione Scarica nei gas Calorimetri Cherenkov Bolometri …. 2 2

Caratteristiche generali dei Rivelatori 17/03/11 17/03/11 17/03/11 Caratteristiche generali dei Rivelatori Sensibilità: capacità di produrre un segnale utilizzabile per un certo tipo di radiazione Risposta del rivelatore: lineare o meno; digitale - analogica Risoluzione Energetica. Fattore di Fano: Funzione di risposta: R(E,E’) Tempo di risposta: Efficienza: =Eventi registrati/Eventi da registrare Tempo morto: Riferimento: LEO «Technique for Nucl…» cap. 5 3 3

Contatori a scintillazione 17/03/11 17/03/11 17/03/11 Contatori a scintillazione Ionizzazione materia Diseccitazione Emissione di luce Rivelazione della luce 4 4

SCINTILLATORI I materiali scintillanti usulmente utilizzati nella rivelazione della radiazione sono di due tipi Cristalli scintillanti inorganici Scintillatori organici Il meccanismo che porta all’emissione della luce è differente nei due tipi di materiale.

Scintillatori Inorganici Meccanismo di scintillazione dipende dalla struttura del reticolo cristallino Band Gap Band Gap Nei cristalli puri un elettrone portato in banda di conduzione può emettere luce quando l’atomo si diseccita (processo poco efficiente). L’aggiunta di impurezze (attivatori) cambia localmente la struttura a bande degradando l’energia della radiazione emessa (Stokes shift) 17/03/11

Scintillatori Inorganici   NaI(Tl) CsI(Tl) BaF­­­2 BGO LSO GSO YAP LuAP Emission peak (nm) 410 565/420 310/220 480 420 440 360 365 Light Yied (ph/KeV) 38 65 11/15 8.2 25 9 18 12 Decay time (ns) 230 680/3000 600/0.8 300 40 400/60 27 17 Density (g/cm2) 3.7 4.5 4.9 7.1 7.4 6.7 5.4 8.4 17/03/11

Scintillatori Inorganici 17/03/11

Scintillatori Organici La radiazione incidente provoca una transizione ad un livello eccitato (qualche eV). La molecola si diseccita con transizioni vibrazionali (dell’ordine 0.1 eV) La diseccitazione avviene ad un’energia differente dell’eccitazione Il materiale è quindi trasparente alle luce di fluorescenza Tipicamente per m.i.p

Luce ed Energia negli scintillatori La regola di Birks 17/03/11

dL/dx vs dE/dx 17/03/11

“Quenching” della luce di scintillazione Formula di Birks

Stokes shift When a system (be it a molecule or atom) absorbs a photon, it gains energy and enters an excited state. One way for the system to relax is to emit a photon, thus losing its energy (another method would be the loss of heat energy). When the emitted photon has less energy than the absorbed photon, this energy difference is the Stokes shift. Stokes shift

Scintillatori Organici STATE lmax[nm] Decaytime [ns] Density [gcm-3] Ph/kev Antracene Crystal 447 30 1.25 16 Pilot U Plastic 391 1.4 1.03 10 NE104 406 1.8 NE102 Liquid 425 2.6 1.51 12 17/03/11

Scintillatori Organici 17/03/11

Meccanismo di scintillazione L’energia rilasciata nello scintillatore viene trasformata in radiazione luminosa tra il 7% (scintillatori inorganici) al 3% (scintillatori organici). La separazione di Stokes permette alla luce di propagarsi nello scintillatore.

Scintillazione Ordini di grandezza Perdita di energia in plastico: ~ 2 MeV/cm Efficienza di scintillazione: ~ 1γ/100 eV Efficienza di raccolta: ~ 0.1 Efficienza del fotocatodo: ~ 0.25 2 106 x 1/100 x 0.1 x 0.25 γ=500 γ

Contatore a scintillazione

17/03/11 17/03/11 17/03/11 FOTOMOLTIPLICATORE 19 19

Partitore di tensione per PM Partitore per PM a 12 stadi. La tensione del primo dinodo e’ fissata con zener. Partitore resistenze uguali. I condensatori sulle ultime resistenze presuppongono l’utilizzo per impulsi di luce Al posto di W leggasi Ω Guadagno di un dinodo Guadagno totale (N dinodi):

Segnale di uno scintillatore

D TDC D “GATE” ADC D

DISCRIMINATORE Dispositivo tipicamente usato per discriminare Il segnale (il segnale è «grande») dal fondo (tipicamente quanto più numerosi quanto più piccoli) 17/03/11

Tempo di Volo (ToF) B Soglia Correzione Principio della correzione del tempo di volo in base all’ampiezza del segnale

Conteggi di coincidenze casuali Coincidenza di due contatori: Contatore n.1 in “singola” frequenza media: Contatore n.2 in “singola” frequenza media: Durata degli impulsi del Discriminatore: Nell’unità di tempo il contatore n.1 è “ON” per un tempo In questo intervallo temporale ci saranno quindi : Analogamente scambiando i contatori Coincidenze casuali: 17/03/11

Contatori Cherenkov

Ring Imaging Detectors 17/03/11 17/03/11 17/03/11 Ring Imaging Detectors 27 27

Ring Imaging Detectors 17/03/11 17/03/11 17/03/11 Ring Imaging Detectors 28 28

Ring Imaging Detectors 17/03/11 17/03/11 17/03/11 Ring Imaging Detectors 29 29

Un rivelatore Cherenkov: Super-Kamiokande The Super-K consists of a cylindrical stainless steel tank that is 41.4 m tall and 39.3 m diameter holding 50,000 tons of ultra-pure water. About 13000 PM’s. - 1000 m 17/03/11

Super-Kamiokande (fase di costruzione) 17/03/11

Evento di Super-Kamiokande 17/03/11

La Formazione dell’anello 17/03/11 17/03/11 17/03/11 La Formazione dell’anello Equazione dello specchio sferico (raggi parassiali) C F 33 33

Rivelatori a Gas Vo R V0 a b E(r) r a b 17/03/11 17/03/11 17/03/11 Rivelatori a Gas Elementi di base di un rivelatore a gas proporzionale: contenitore (tipicamente) cilindrico filo al centro del cilindro gas poco sensibile alle scariche e in grado di degradare l’energia dei fotoni energetici Vo R V0 a b E(r) filo r a b 34 34

Rivelatori a Gas V0 Vo a R b 17/03/11 17/03/11 17/03/11 Rivelatori a Gas Elementi di base di un rivelatore a gas proporzionale Vo R V0 a 1 Ione/30eV persi b Sviluppo della scarica attorno al filo 35 35

Campo Elettrico in un contatore cilindrico E (V/m) 0.1mm r (mm)

Contatore proporzionale Numero di ioni raccolti in funzione della tensione applicata al contatore 17/03/11

Formazione dell’impulso (vedi ieee_sauli1. pp: NO segnale di tensione Se una carica q si sposta di dr nel contatore varia la sua energia di Questa energia e’ bilanciata dalla variazione di energia del condensatore. Supponendo trascurabile la variazione di tensione di alimentazione V0 , possiamo valutare la variazione di tensione su filo

Formazione dell’impulso Una ionizzazione nel contatore in r’ indurrà negli elettrodi un segnale dovuto sia al moto degli elettroni sia a quello degli ioni positivi: Il segnale e’ essenzialmente dovuto agli ioni

Sviluppo temporale dell’impulso Una ionizzazione nel contatore in r’ indurrà negli elettrodi un segnale dovuto essenzialmente al moto degli ioni positivi: Mobilità Impulso “differenziato”

Gas nelle camere proporzionali Scelta del Gas: Bassa tensione di lavoro Alto guadagno Buona proporzionalità Capacita di sopportare alte frequenze di conteggio Mobilità Tipicamente si sceglie una miscela di gas: ARGON gas nobile-basso costo-alta energia ionizzazione 11.6 eV GAS – POLIATOMICO (Metano, CO2,Isobutano ….) (quencher)

MWPC MultiWire Proportional Chambers (camere a Multi-fili proporzionali)

MWPC

MWPC

Camere a Deriva (DRIFT chamber) La camera a deriva sfrutta il fenomeno del trasporto degli elettroni in un campo elettrico con una velocità costante (o quasi)

Camere a Deriva (DRIFT chamber)

Drift Chamber

Drift Chamber

The Geiger Counter reloaded: Drift TubePrimary electrons are drifting to the wire. (W. Riegler/CERN) Electron avalanche at the wire. Many of these circles define the particle track. ATLAS MDTs, 80m per tube Calibrated Radius-Time correlation The measured drift time is converted to a radius by a (calibrated) radius-time correlation.

Prestazioni delle Camere a DRIFT La camera a deriva Risoluzione spaziale di 100micron Pochi fili (~1 per ogni 10 cm) => costo contenuto dell’elettronica di lettura Ma: Necessita di un “tempo zero” Non è utilizzabile come trigger Lungo tempo di risposta: decine di microsecondi (sovrapposizione di eventi)

RPC Resistive Plate Chamber E’ un sandwich di 2mm bachelite 2 mm gas 2 mm bachelite Conduttore Conduttività bachelite 10**-9 Ohm cm 17/03/11

RPC Resistive Plate Chamber: Tecnica costruttiva 17/03/11

RPC High Voltage ~ 10kV Spark Gas: Argon (15%),Isobutano (10%), TetraFluoroEtano(75%) 17/03/11

Generazione del segnale di tensione Teorema o seconda identità di Green Teorema della divergenza Teorema di Green

Generazione del segnale di corrente Il problema: Una carica q è posta tra due piani paralleli e infinti collegati a massa. Qual è la carica indotta sui piani? Per la soluzione: (1) condensatore senza carica e piani a massa (=0) + (2) condensatore con carica e piatti a potenziale 1 e 2 fissi. l -Q +Q q

17/03/11

Generazione del segnale di corrente in contatori a elettrodi paralleli

Generazione del segnale di tensione V Segnale sul catodo da moto di una carica positiva x E l q A Segnale sull’anodo dx E x V

Time Projection Chamber (TPC) La TPC e’ formata da un cilindro riempito di gas e usa camere MWPC come chiusure del cilindro. A metà del cilindro vi è un disco conduttore ad alta tensione, che stabilisce un campo elettrico tra il centro e le piastre laterali. Alle volte è applicato un campo magnetico, parallelo al campo elettrico, per ridurre al minimo la diffusione degli elettroni provenienti dalla ionizzazione del gas. 17/03/11

Time Projection Chamber (TPC) 17/03/11

Time Projection Chamber Esperimento ALICE 17/03/11

Time Projection Chamber Esperimento Delphi 17/03/11

Time Projection Chamber Esperimento STAR 17/03/11

Time Projection Chamber Esperimento STAR 17/03/11 Time Projection Chamber Esperimento STAR The track of an antihelium-4 nucleus, highlighted in red, appears in a myriad of tracks produced by a gold-gold collision inside the STAR detector at RHIC. STAR’s Time Projection Chamber measures the momentum and mass of the collision events. That massive stream of data is carried by the high-speed, high-capacity Energy Sciences Network (ESnet) to the National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) where it is sifted to select particles with specific characteristics. ESnet and NERSC are both operated by Berkeley Lab. Evento Au-Au con produzione di anti-elio (in rosso) 17/03/11

Calorimetria Lo scopo della calorimetria è quello di misurare l’energia delle particelle prodotte in un’interazione assorbendone l’intera energia. Particelle neutre e cariche possono perdere tutta l’energia cinetica nella materia L’incertezza su E diminuisce con l’aumentare dell’energia (al contrario di altri rivelatori) Risposta veloce (minore di ~50ns) – Trigger 17/03/11

Calorimetri Calorimetri a «sampling» Calorimetri omogenei Piani di assorbitore (passivi): Pb, Fe, U, Cu, Al,… Piani di rivelatori (attivi) : Scintillatore, MWPC, Ar, … Calorimetri omogenei Nei calorimetri omogenei l’intero volume contribuisce del rivelatore contribuisce alla formazione del segnale. Materiali tipici: Vetro-Piombo (luce Cherenkov), BGO, BaF2, CeF3 (scintillazione) 17/03/11

Calorimetro a «sampling» Deposito di Energia Strato attivo Assorbitore 17/03/11

Calorimetria Calorimetri elettromagnetici Calorimetri adronici L’assorbimento “scala” con la lunghezza di radiazione (X0=180A/Z2 g/cm2) Calorimetri adronici L’assorbimento “scala” principalmente con la lunghezza di interazione (lint) Non tutta l’energia nell’interazione forte è rivelabile (neutrini, energia di legame nucleare, mu,…) 17/03/11

Sciami Elettromagnetici Lo sciame si sviluppa a causa delle reazioni creazione di coppie (g→ee) bremstrahlung (e →e g) La moltiplicazione delle poarticelle continua fino a quando l’energia media delle particelle dello sciame raggiunge Ec. Il resto dell’energia si perde via ionizzazione 17/03/11

Sciami Elettromagnetici Sviluppo longitudinale Le dimensioni dello sciame crescono logaritmicamente con l’energia della particella. 17/03/11

Sciami Adronici Lo sciame si sviluppa a causa delle reazioni nucleari, ma i p neutri danno origine a sciami em dentro quelli adronici. Negli sciami adronici ci sono due lunghezze scala: lint nucleare e X0 per gli sciami iniziati dai g hadron gg po 17/03/11

Materiali per la Calorimetria 17/03/11

Calorimetria 17/03/11

RISOLUZIONE IN ENERGIA DEI CALORIMETRI Fluttuazione poissoniana Termine doninante nel range di interesse Effetto del rumore e piedistallo degli ADC Calibrazione – non linearità elettronica poissoniana 17/03/11

Development of hadron cascade Large fluctuations due to po production

Dominance of low energy particles

Lateral cascade distribution Lead- scintillating fibre calorimeter The EM Component more concentrated on the central part of the shower: EM core

Hadronic vs EM response Not all hadronic energy is “visible”: Lost nuclear binding energy neutrino energy Slow neutrons, … For instance in lead (Pb): Nuclear break-up (invisible) energy: 42% Ionization energy: 43% Slow neutrons (E~ 1 MeV): 12% Low energy g’s (Eγ~ 1 MeV): 3%

Gli sciami adronici danno meno energia visibile rispetto a quelli em e hanno maggiori fluttuazioni /

Metodi di Compensazione (principalmente sampling calorimeters) Compensazione intrinseca (vedi la prossima): Recuperando parte della ”energia invisibile” Diminuire il contributo della componente elettromagnetica (uso di più assorbitori ) Compensazione Off-line: Da informazioni multiple sullo sviluppo dello sciame

Compensazione La compensazione si ottiene, principalmente nel calorimetri a “sampling” diminuendo lo spessore degli strati attivi (a basso Z) ovvero aumentando lo spessore di quelli passivi (ad alto Z). Infatti, una frazione importante dell’energia dello sciame è dovuta a gamma di bassa energia (sez.d’urto Z5)

Tuning Pb thickness for e/p =1

EAS Extensive Atmospheric Shower

Un esempio dello sviluppo di un sciame di altissima energia 1020eV

electrons/positrons photons muons neutrons

Simulazione di uno Sciame Atmosferico Esteso

Osservatorio Internazionale di Raggi Cosmici YanBaiJing 4300m (Tibet) Esperimento As Esperimento ARGO

L’esperimento AUGER 50km 50km Area: 3000 km2 1600 Stazioni di Conteggio Ricerca dei raggi cosmici di più alta energia 50km

Come si misurano i Raggi Cosmici? Satelliti Atmosfera Terrestre Cerenkov Rivelatori sotterranei “Array” a terra

Rivelatori a Semiconduttore Rivelatore a scintillazione 20/30 eV a gamma Rivelatore a semiconduttore 2/3 eV a coppia Problema del rumore (resistività del semiconduttore) 17/03/11

Teoria a Bande Una radiazione di energia sufficiente che entri nel cristallo può ionizzare un atomo spostando un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando una coppia elettrone-lacuna. Un campo elettrico applicato al semiconduttore raccoglie la carica generata 17/03/11

Rivelatori al Silicio e Germanio 17/03/11

Rivelatori a Semiconduttore (strip) 17/03/11

Rivelatori al Germanio Spettrometria gamma • HPGE (10-12g/g) • Devono operare alla temperatura dell’azoto liquido 17/03/11

Sistemi di Rivelatori: Spettrometri Magnetici 17/03/11

Spettrometri Magnetici: misura di p (B in Tesla, r in metri e p GeV/c) e è l’incertezza delle N misure di posizione AN ~ 96-73 x angolo m.s. (rms) CN ~ 1.3 r + Contributo del multiple scattering: R.Gluckstern Nuc. Instr. Meth 24(1963)381 17/03/11

RADIAZIONE di TRANSIZIONE La radiazione di transizione è prodotta quando una particella relativistica attraversa un mezzo non omogeneo (variazione della costante dielettrica). In particolare il confine tra materiali. L’intensità della radiazione di transizione è approssimativamente proporzionale a g della particella. 17/03/11

L’emissione della radiazione è in avanti: q=1/g Questa radiazione permette la possibilità di identificazione delle particelle quando Cherenkov e perdita per ionizzazione non sono più efficaci. L’intensità della radiazione di transizione è molto bassa (.8 g X se g=2 103) per transizione. L’emissione della radiazione è in avanti: q=1/g 17/03/11

Progetto NOE 17/03/11

Esercizio Rivelatori Tempo Morto. Se un rivelatore (contatore) rimane insensibile per un tempo t dopo aver contato un evento come bisogna correggere i suoi conteggi nell’unità di tempo? 17/03/11

La “segnatura” di un evento Trovare una particolare configurazione che possa essere interpretata come «FIRMA» dell’evento o processo cercato. La «bontà» di una segnatura consiste nel suo grado di immunità dal rumore di fondo

Esempio Rivelazione di anti-neutrini Decadimento di elementi della crosta terrestre Anti-neutrini da reattori Anti-neutrini e neutrini da supenovae

The Borexino Solar Neutrino Experiment

The Borexino Detector

La “segnatura” di un evento: come rilevare gli antineutrini Prompt 190ms , t di cattura t t=0 t190ms

BOREXINO Geoneutrini Anti-neutrini da reattore Anti-neutrini solari (8B) 17/03/11

La “segnatura” di un evento creazione di una coppia di B MWPC Odoscopio Calorimetro Magnete Assorbitore (Fe) Esperimento per la misure della Sezione d’urto di produzione di B a soglia

Criteri di selezione GOLDEN EVENTS 4 m (fondo trascurabile ma pochi) EVENTS 3 m (calcolo dei fondi: DY + prompt)

Riferimenti bibliografici per approfondimenti e fonti. 17/03/11 17/03/11 17/03/11 Riferimenti bibliografici per approfondimenti e fonti. W.R. Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. Springer PDB (Particle Data Book) S.P.Ahlen “Theoretical and experimental aspects of the energy loss of relativistic heavily ionizing particles” Rev. Mod. Pys 52(1980)121 S.M. Seltzer and M.J. Berger, Int. J. of Applied Rad. 33 (1982)1189 . S.M. Seltzer and M.J. Berger, Int. J. of Applied Rad. 35 (1984)665. F.Sauli Principles of operation of Multiwire and proportional chambers. Yellow Report CERN 77-09 ….. R.Wigmans Advances in Hadron calorimetry. Annu. Rev. Nuc!. Part.Sci. 41(1991) W. RieglerParticle Detectors, CERN Summer Student Lecture 2008 115 115