(Alcune) Tecniche di rivelazione delle particelle.

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1 (Alcune) Tecniche di rivelazione delle particelle.
Ettore Segreto Incontri di Fisica 2009 Laboratori Nazionali del Gran Sasso 8 Ottobre 2009 Incontri di Fisica 2009

2 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009
Tutti i rivelatori di particelle si basano su di un principio (apparentemente) molto semplice: Il trasferimento di parte o tutta l’energia della particella alla massa sensibile (atomi, molecole) del rivelatore, dove questa viene trasformata in una forma più accessibile (carica, luce, calore…). Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

3 Sensibilità di un rivelatore
La sensibilità è la capacità di un rivelatore di produrre un segnale utilizzabile quando viene attraversato da un certo tipo di radiazione con una certa energia. Fattori che determinano la sensibilità di un rivelatore sono: Sezione d’urto (probabilità) per i processi di interazione all’interno del rivelatore; Massa del rivelatore; Rumore intrinseco; Materiale che riveste il rivelatore; Capacità di produrre un segnale La caratteristica che ci dice se un determinato rivelatore è adatto ad un determinato tipo di ricerca è la sua sensinilita che è…. I fattori che determinano la senibilità di un rivelatore sono molti ed i più rilevanti sono indicati in questa slide. La sezione d’urto… e la massa del rivelatore sono connessi con la capacità del rivelatore di produrre un segnale. Il rumore intrinseco che qualsiasi rivelatore ha (tipicamente di natura elettronica) determina il livello minimo del segnale perché si possa dire che è stata rivelata una particella. Il materiale che riveste il rivelatore può imporre un livello di energia minima perché la radiazione possa entrare nel volume sensibile. Livello minimo del segnale Energia minima rivelabile Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

4 Un rivelatore molto semplice…
La camera a ionizzazione. La camera misura la ionizzazione prodotta nel gas nobile dal passaggio di una particella carica. Gas Nobile (Ar) Le cariche di ionizzazione (sia positive che negative) derivano sotto l’azione del campo elettrico inducendo un segnale sul circuito esterno. Segnale piccolo Armature di un condensatore Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

5 …camere proporzionali
Camera proporzionale cilindrica. Condensatore cilindrico riempito da una miscela di gas in cui l’anodo centrale è un filo molto sottile ( R ~20÷100 μm). L’intnenso campo elettrico (~ ΔV/R) in prossimità del filo consente la moltiplicazione proprozionale della carica di ionizzazione (fatt. molt. ~ 104 ÷ 106). Uno step migliorativo della camera a ionizzazione piana è rappresentato dalle camere proporzionali. PC…. Se oltre alla ionizzazione, cioè all’energia depositata dalla particella, si è interessati a misurare anche il punto in cui la particella attraversa il rivelatore, è necessario generalizzare la CP alla MPC… Queste camere sono molto sottili (ordine cm) e forniscono la posizione della tracia sul piano. Una coordinata è determinata dalla posizione del filo che ha rivelato il segnale, mentre l’altra è determinata misurando la carica degli ioni sul catodo che è segmentato in strisce che corrono in direzione ortogonale a quella dei fili -> misura della posizione. Multiwire Proportional Chamber (MPC). Sono costituite da una successione di fili anodici in cui si ha moltiplicazione proporzionale, poste tra due piani catodici. Consentono la misurazione della posizione della traccia nel piano. Una coordinata è la posizione del filo, l’altra si ottiene con la lettura del segnale catodico. Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

6 …camere a proiezione temporale (TPC)
Moltiplicazione proporzionale Consentono la ricostruzione 3D della traccia ionizzante oltre che della ionizzazione prodotta (energia depositata). Un CE è stabilito tra un catodo centrale ed il piano anodico costituito da una MPC. La camera tipicamente è riempita con un gas nobile (Ar). Gli e- prodotti dalla particella ionizzante al tempo T0 vengono fatti derivare verso il piano anodico con velocità costante dove vengono rivelati. La coordinata (di ogni segmento di traccia) lungo la direzione di deriva degli e- è data dalla velocità di deriva (nota) per il tempo intercorso tra la rivelazione e il T0. Le coordinate sul piano ortogonale sono determinate dalla MPC. Campo elettrico Catodo Anodo Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

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8 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009
ICARUS LNGS Il Rivelatore ICARUS T600 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

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July 24th, 2001 1 wire pitch d Drifting Ionizing Track e- Electric Field time Screen Grid Induction Plane Collection Charge Induction wire Signal (schematic) Waveform T0 Tpeak Light Tdrift PMT Signal PMT UV Light ICARUS Event Stopping and decay (3t prototype) Amplifier in Lar E1 E2 E3 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

10 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009
LAr Cryostat (half-module) 20 m 4 m View of the inner detector The T600 Module during construction Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

11 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009
Eventi Spettacolari Cosmic ray showers (T600) Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

12 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE
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13 Come è fatto un rivelatore a scintillazione?
Materiale Scintillatore Guida di uce Fotomoltiplicatore (PMT) Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

14 Funzionamento dello Scintillatore
Al proprio passaggio la particella incidente cede parte della propria energia allo scintillatore causando, ad esempio, l'eccitazione di un elettrone che si sposta in un livello ad energia superiore. Materiale scintillante Fotomoltiplicatore (PMT) t i Quando l'elettrone decade al livello che occupava prima dell'eccitazione emette un fotone di energia relativamente bassa, tipicamente nel visibile o nell’ultravioletto. Tale impulso di luce viene poi rivelato ed amplificato da opportuni sensori, ad esempio da un Fotomoltiplicatore. Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

15 Classificazione degli scintillatori
Scintillatori Organici : strutture di anelli di benzene. La loro principale caratteristica è la rapidità nella risposta (pochi nsec). Vengono usati come cristalli puri, soluzioni liquide e soluzioni solide. Usati per neutroni. Cristalli Inorganici: cristalli al cui interno sono introdotte delle impurità che fungono da mezzo attivo (NaI(Tl) per es.). Maggiori pregi sono l’elevato potere frenante e l’elevata resa in luce. Usati per e-, γ. Scintillatori a Gas: tipicamente gas nobili (elio, argon, neon, xenon, kripton) miscelati con altri gas. Hanno una notevole resa in luce. Usati per α e nuclei. Scintillatori a Gas Nobili liquefatti: uniscono alla grande resa in luce un elevato potere frenante. Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

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Scintillatore CsI(Tl) Scintillatore NaI(Tl) Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

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Quali caratteristiche deve avere un materiale scintillante per essere un buon rivelatore? Alta efficienza per la conversione energia ionizzazione/eccitazione in radiazione luminosa; Trasparenza alla propria radiazione luminosa; Emissione di luce con uno spettro compatibile con il PMT; Possibilmente breve costante di decadimento (~ nsec) Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

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GUIDA DI LUCE La guida di luce permette di raccordare lo scintillatore con il PM Sono principalmente di plexiglass e sfruttano per convogliare la luce il fenomeno della riflessione interna Per il vetro sono circa 42° Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

19 Il Fotomoltiplicatore (PMT)
Il PMT è un dispositivo elettronico che converte un segnale luminoso in un segnale elettrico Questo processo avviene principalmente attraverso due stadi Conversione di un fotone in un elettrone per effetto fotoelettrico Moltiplicazione del segnale elettrico iniziale I PMT sono uno strumento lineare largamente utilizzato nella fisica nucleare ed astroparticellare, spesso abbinati agli scintillatori Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

20 Schema delle componenti interne di un PMT
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21 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009
Segnale di un PMT Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

22 Rivelazione della materia oscura con la luce di scintillazione.
Alcune osservazioni astronomiche (velocità di rotazione delle galassie, lensing gravitazionale) e misurazioni di precisione della radiazione cosmica di fondo e della distribuzione della materia dell’Universo accreditano l’ipotesi dell’esistenza della materia oscura; L’ipotesi più sostanziata e che la materia oscura sia costituita da materia non barionica (non ordinaria) nella forma di particelle massive ( ~100 volte la massa del protone) neutre che interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso l’interazione debole (WIMP –> Weakly Interacting Massive Particle); Le WIMPs costituirebbero un alone sferico statico che avvolge tutte le galassie e che rappresenterebbe la parte predominante della massa delle galassie stesse; La probabilità (sezione d’urto) che una WIMP interagisca con la materia ordinaria è prevista essere molto piccola per questo i rivelatori devono essere molto grandi ( ~ tonnellate di massa sensibile) e con una grande capacità di discriminare il fondo (elettroni, gamma, neutroni). L’energia dell’interazione è anch’essa molto piccola per questo i rivelatori debbono essere molto sensibili. Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

23 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009
L’ESPERIMENTO WARP Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

24 WIMP Detection in WArP Three simultaneous criteria to discriminate potential WIMP recoils from backgrounds: Simultaneous detection of prompt scintillation and drift time-delayed ionisation in Liquid Argon: pulse height ratio strongly dependent from columnar recombination of ionizing tracks. 3D reconstruction of event position. Pulse shape discrimination of primary scintillation: wide separation in rise times between fast (≈ 10 ns) and slow (≈ 1.5 µs) components of the emitted UV light. Precise 3D reconstruction of event position: Precise definition of fiducial volume; additional rejection of multiple neutron recoils and gamma background Double Phase Argon Chamber The WIMP detection in WArP is performed with a double phase Argon chamber. The primary scintillation light produced by the interaction in LAr is detected by photomultipliers. The application of an electric field allows to extract the ionization charge from the interaction point to the gas phase, where it is accelerated and thus produces a secondary scintillation signal proportional to ionization charge. The ratio of the two signals is strongly dependent from columnar recombination of ioniziong track (and thus on the particle type). The shape of primary is also strongly dependent on the particle type. In fact LAr exhibits two scintillation components one with 10 ns decay time and one with 1.5 usec, whose ratio depends on the ionizing particle type. It is possible to perform a precise 3D recostruction that allows a clean definition of the fiducial volume and gives an additonal rejection power against multiple neutron/gamma interactions. Only detector with triple discrimination technology. Largest discrimination of /-induced backgrounds. Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

25 Discrimination Technique
S1 = primary (prompt) scintillation signal S2 = secondary (delayed) scintillation signal (proportional to ionization) Minimum ionising particles (e-): high S2/S1 ratio (~100) + slow S1 signal. Nuclear recoils (eventually WIMPs): low (<30) S2/S1 + fast S1. (A) Electron (B) Argon recoil S2 S2 S1 S1 Drift time S1 S1 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009 Incontri di Fisica 2009

26 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009
Dimostrazione rivelatore a scintillazione Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009

27 Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009
GRAZIE DELL’ATTENZIONE! Incontri di Fisica 2009, LNGS 8/10/2009