Lezione 19 Contatori Čerenkov

Lezione 19 Contatori Čerenkov
Ricordiamo: soglia Angolo di saturazione (b=1) Numero di fotoni emessi per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda Rivelatori di Particelle

materiale n-1 b (soglia) g (soglia) Plexiglas (lucite) 0.48 0.66 1.33 Acqua 0.33 0.75 1.52 Aerogel Pentano (STP) 1.7 x 10-3 0.9983 17.2 CO2 4.3 x 10-4 0.9996 34.1 H2 (STP) 1.4 x 10-4 59.8 He (STP) 3.3 x 10-5 123 Rivelatori di Particelle

Ricordiamo inoltre che in un gas : n ~ 1+ hP (P = pressione) Gas h x 10-4 H2 1.38 N 2.97 Etilene 7.2 CO2 4.5 Propano 10 Pentano 17 Rivelatori di Particelle

La perdita di energia per radiazione Čerenkov è piccola rispetto a quella dovuta all’ionizzazione (Bethe-Block) (~1%).  Il numero di fotoni emessi è piccolo (vedi tabella) Rivelatori di Particelle

Il numero di foto-elettroni rivelabili per unità di lunghezza ed intervallo di lunghezza d’onda si ottiene integrando la: sulle lunghezze d’onda del visibile ( nm) ( dove il fotorivelatore è sensibile)  Esempio: per un apparato con Q.E.=0.2 lungo L=1cm e qc =30° ci attendiamo Np.e.=18 Rivelatori di Particelle

In generale il radiatore ha una certa dispersione, cioè l’indice di rifrazione n = n(E) con dn/dE  0. Questo porta ad un errore cromatico sE è connesso a DE: L’errore cromatico può essere ridotto solo riducendo DE o tramite complicate correzioni ottiche In pratica molti apparati sono dominati dall’errore cromatico. Rivelatori di Particelle

I contatori Čerenkov possono sfruttare: Nph(b) : contatori a soglia (non misuro l’angolo di Cerenkov) q(b) : contatori differenziali e RICH Rivelatori di Particelle

Lezione 19 Contatori Čerenkov a soglia
Principio di funzionamento Rivelatori di Particelle

Consideriamo 2 particelle di masse m1 ed m2 e con lo stesso impulso p. Per distinguerle in un Čerenkov a soglia è necessario che la particella più leggera (m1) emetta luce e l’altra no ( considerando la seconda a soglia) Assumendo particelle relativistiche avrò: Se il radiatore è lungo L e l’efficienza quantica del PM è QE  Se N0 è il numero di p.e. necessari per avere piena efficienza  Rivelatori di Particelle

Esempio: k,p a p=10 GeV/c m1=494 MeV/c2; m2=938 MeV/c2; N0=10; QE=0.25  L’indice di rifrazione deve essere scelto in modo da essere esattamente a soglia per i p (o appena sotto-soglia) cioè n=E/p=1.0044 e.g. pentano a pressione Rivelatori di Particelle

In pratica se abbiamo un fascio non separato di p+, k+, p di impulso p=10 GeV/c usiamo più Čerenkov per poter identificare tutte le particelle. part. n soglia Radiat. n Radiat p 1.0001 Azoto CO2 1.0003 k 1.0012 pentano propano (2 atm) 1.0017 1.002 1.0044 Aerogel 1.025 Cp Ck p ■ k □ ■ =1; □=0 Rivelatori di Particelle

Un grosso Čerenkov Sopra soglia per pioni e K di 6,10 e 14 GeV/c Riempito di propano a pressione Rivelatori di Particelle

Il contatore più grande riempito di CO2 a pressione atmosferica,sopra soglia solo per pioni Rivelatori di Particelle

Example: study of an Aerogel threshold detector for the BELLE experiment at KEK (Japan) Goal: p/K separation bkaon Aerogel = misture di Si02 e H20 con aria Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle

Lezione 19 Contatori Čerenkov differenziali
Attenzione al di sopra di GeV, se non voglio avere dei Čerenkov troppo lunghi, conviene misurare l’angolo di Čerenkov.  Contatori differenziali o DISC (una via di mezzo fra contatori a soglia e per la misura dell’angolo ) Principio di funzionamento specchio Guida di luce in aria Fotomoltiplicatore radiatore q Accetta solo particelle in una finestra di velocità (b). Tutte le particelle che hanno una velocità > bmin=1/n sono sopra soglia. Al crescere di b aumenta l’angolo di Čerenkov fino a raggiungere l’angolo di riflessione totale la luce non entra nella guida di luce. L’angolo di riflessione totale può essere calcolato dalla legge di Snell (sin(qt)=1/n) e siccome cosq=1/bn bmax=(n2-1)-1/2.  solo particelle in una finestra di velocità possono essere rivelate (piccola accettanza). Se il DISC è ottimizzato otticamente (e.g. con dei prismi per le aberrazioni cromatiche) si possono ottenere Db/b~10-7 Rivelatori di Particelle

Lezione 19 Contatori differenziali
Contatori differenziali e DISC ■ solo particelle in una finestra di b.  accettanza limitata ■ Funzionano solo se le particelle incidenti sono // all’asse ottico non utilizzabili ai Collider ■ Prismi correggono le aberrazioni cromatiche ( n = n (l ) ) Rivelatori di Particelle

Lezione 19 Contatori RICH
Ring Imaging Čerenkov Counters ( RICH ) I RICH misurano l’angolo qc intersecando il cono di luce Cerenkov con un piano fotosensibile.  requires large area photosensitive detectors, e.g. wire chambers with photosensitive detector gas PMT arrays (J. Seguinot, T. Ypsilantis, NIM 142 (1977) 377) . Esempi di angoli n = 1.28 C6F14 liquid n = C5F12 gas p/K p/K/p K/p p/h DELPHI Cosq=1/bn  sb/b=tanq sq Se si raccolgono N fotoni   minimizzare sq  massimizzare Np.e. Rivelatori di Particelle

Fino a quale impulso p due particelle di massa m1 ed m2 possono essere separate da un RICH con ns ? Rivelatori di Particelle

Principio di operazione di un RICH A RICH with two radiators to cover a large momentum range. p/K/p separation GeV/c: DELPHI and SLD (W. Adam et al. NIM A 371 (1996) 240) 2 radiators + 1 photodetector C6F14 (1 cm, liquid) C5F12 (40 cm, gas) C4F10 (50 cm, gas) spherical mirror Photodetector TMAE-based DELPHI RICH Rivelatori di Particelle

Due modi per vedere l’angolo: Nessuna focalizzazione La determinazione di qc richiede: x,y,z del fotone xe,ye,ze punto di emissione del fotone direzione della particella qp,fp Rivelatori di Particelle

Sorgenti di errore: Errori cromatici possono essere molto grandi quando siamo vicini all’angolo di riflessione totale. Errore sul punto di emissione del fotone  si assume che viene dal centro del radiatore  va bene solo se il radiatore è sottile Risoluzione spaziale del detector Direzione della particella  normalmente i RICH non sono degli apparati solitari  il funzionamento del RICH dipende dalla qualità del tracciamento Rivelatori di Particelle

Apparati focalizzanti Il sistema funziona bene solo per piccoli parametri d’impatto xi<<RM e piccoli angoli di Čerenkov. Inoltre apparati piatti sono più facili da costruire. L’ errore sull’angolo di emissione del fotone è ridotto (di molto)  possibile costruire radiatori lunghi (ed avere quindi più fotoni) Lunghezza focale di uno specchio sferico f=RM/2=RD. Raggio cerchio Čerenkov r=fqc=(RM/2)qc=RDqc  b Rivelatori di Particelle

Fotorivelatori per RICH Camere a fili Fotocatodi a gas fotocatodi solidi Fotomoltiplicatori (multi-anodi), fotodiodi ibridi Rivelatori di Particelle

Lezione 19 Fotorivelatori per RICH
Fotocatodi Gassosi La maggioranza degli esperimenti usano TMAE. ma: Bassa tensione di vapore. TMAE (e l’intero apparato) devono essere scaldati per ottenere una lunghezza di assorbimento lph accettabile. Esempio DELPHI: TTMAE=28 °C  lph ≈ 16 mm È stato dimostrato che TEA funziona. DMA e TMA poco attrattivi perché hanno alte soglie EI Rivelatori di Particelle

Efficienza quantica di TMAE Rivelatori di Particelle

Efficienza quantica di TEA Rivelatori di Particelle

Le camere devono essere operate a basso guadagno G≈105 Rivelatori di Particelle

Esempio : DELPHI Rivelatori di Particelle

Fotocatodi solidi Cercare fotocatodi con bassa soglia, alta QE, e che funzionino in un gas a pressione atmosferica. Al momento attuale CsI sembra il miglior candidato. Infatti: soglia 6 eV ≈ 210 nm alta QE quasi come TMAE preparazione relativamente facile deposizione sotto vuoto) stabilità ragionevole in aria resistività relativamente bassa (1010÷1011 Wcm)  il catodo non si carica ad alto rate. Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle

fotomoltiplicatori, fotodiodi ibridi Rivelatori di Particelle

Materiali per radiatori e finestre. Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle
Lezione 19 DIRC DIRC = Detector for Internally Reflected Cerenkov light Barre di quarzo  sia radiatore che guida di luce. Riflessione totale  angolo di riflessione totale q ≥ 40°  nei RICH devo avere traccia incidente ┴ all’asse focale degli specchi, nel DIRC la quantità di luce riflessa aumenta con l’aumentare dell’angolo di incidenza  buono per piccolo angolo di incidenza ( tracce praticamente // alle barre). Rivelatori di Particelle

Lezione 19 DIRC Rivelatori di Particelle

Lezione 19 DIRC Un disegno più chiaro del DIRC : una barretta di quarzo  poco materiale davanti al calorimetro elettromagnetico. Rivelatori di Particelle

Lezione 19 DIRC Rivelatori di Particelle

Lezione 19 Identificazione di particelle
Sommario Vari metodi disponibili per identificare le particelle in un ampio intervallo d’impulsi. A seconda dello spazio disponibile, la potenza del metodo d’identificazione può variare significativamente. Un plot molto rozzo: p/K separation e± identification Rivelatori di Particelle

Lezione 19 Contatori Čerenkov

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