Ubrzivači i detektori u fizici elementarnih čestica Mirko Planinić

Gdje možete naći ovo predavanje ? http://www.phy.hr/~planinic/nastava.html Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Sadržaj Mnogožičane komore Hadronski kalorimetar Elektromagnetski kalorimetar Poluvodički detektori Čerenkovljevi detektori Hibridni detektori (STAR, ATLAS) Od ubrzivača do suprasudarivača Interakcija čestica s materijom Sažetak Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Uvod u detekciju čestica Detekcija čestica Cilj detekcije je izmjeriti čestica u konačnom stanju u sudarima visokih energija. Manji impuls Veći impuls Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Uvod u detekciju čestica Mjerenja čestica u konačnom stanju Stabilne čestice: Fotoni: Leptoni: Hadroni: Nestabilne čestice : Direktna rekonstrukcija: Primjer: Identifikacija i djelomična rekonstrucija: Primjer: Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Uvod Najvažniji zadaci detektora Mjerenje položaja: Odrediti točke prolaza nabijenih čestica (“hits”) Tragovi: rekonstrukcija putanje čestica uz upotrebu nekoliko mjerenih položaja točaka uzduž putanje Mjerenje impulsa: Mjerenje impulsa nabijenih čestica unutar magnetskog polja iz rekonstrukcije zakrivljenosti putanje Mjerenje energije: Deponiranje energije čestice u dijelu detektora Identifikacija čestica: Masa i vrijeme proleta Određivanje naboja čestice: Zakrivljenost nabijenih čestica u magnetskom polju Okidanje (trigger): Okidanje detektora na “zanimljivim” događajima Data acquisition: Isčitavanje “događaja” i spremanje nakon okidanja Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Interakcija čestica pri prolasku kroz materiju Pregled interakcija  Lead (Z=82) Čestice stvorene u visokoenergijskim sudarima međudjeluju elektromagnetski i /ili nuklearno pri prolasku kroz materijal detektora Glavni procesi za nabijene čestice su: Ionizacija Čerenkovljevo zračenje Zakočno zračenje C. Fabjan, 1987 Glavni procesi za fotone: Lead (Z=82) Fotoelektrični efekt Comptonovo raspršenje Produkcija parova Fotoni prodiru dublje u materiju nego nabijene čestice Snop fotona ne gubi energiju prolaskom kroz materiju nego intenzitet C. Fabjan, 1987 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Interakcija čestica s materijom Ionizacija Bethe-Bloch jednadžba: Prosječan gubitak energije PDG, 2004 -dE/dx jedinicama: (MeV/cm)/(g/cm3)=(MeV cm2/g) -dE/x za nabijene čestice: M » me Minimum na približno.: (-dE/dx relativističkih čestica: Približno minimum-ionizing particle (MIP) Note: Korekcije za gustoću () i ljuske (C) na visokim and niskim energijama, respektivno -dE/dx za elektrone modificiran zbog kinematike i spina upadnog elektrona s elektronima iz materijala. gdje je: Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Međudjelovanje s materijom Ovisnost o materijalu Ionizacija Slaba ovisnost jer je: Z/A ≈ 0.5: Materijal Z A Z/A dE/dx min (MeVcm2/g) Gustoća (g/cm3) H2 (tekućina) 1 1.008 0.992 4.034 0.0708 He 2 4.002 0.500 1.937 0.125 C 6 12.01 1.745 2.27 Al 13 26.98 0.482 1.615 2.70 Cu 29 63.55 0.456 1.403 8.96 Pb 82 207.2 0.396 1.123 11.4 W 74 183.8 0.403 1.145 19.3 U 92 238.0 0.387 1.082 19.0 Scint. 0.538 1.936 1.03 BGO 0.421 1.251 7.10 CsI 0.416 1.243 4.53 NaI 0.427 1.305 3.67 PDG, 2004 Scintillator: dE/dx|min ≈ 2MeV/cm Tungsten: dE/dx|min ≈ 22MeV/cm Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Međudjelovanje s materijom Ionizacija Ovisnost o masi čestice STAR Time-Projection Chamber (TPC): 10% Methan / 90% Argon (2mbar iznad atmosferskog tlaka) Minimum u  ≈ 3 se dešava za fiksni impuls p na raznim mjestima u ovisnosti o masi čestice. To je način identifikacije čestica na malim impulsima. Primjer: Mp/M ≈ 10 PDG, 2004 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Gubitak energije elektrona zračenjem: Zakočno zračenje Gubitak energije elektrona zračenjem: Radijacijska duljina X0 je debljina medija koja reducira srednju energiju snopa elektrona za faktor e. Kritična energija Ec je energija kod koje je gubitak energije na zračenje jednak gubitku energije na ionizaciju. Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Međudjelovanje s materijom Bremsstrahlung... Zakočno zračenje Zračenje realnih fotona u Coulonovom polju jezgre apsorbera: Srednji gubitak energije zračenjem Efekt igra ulogu za e+/- i ultra-relativističke mione (> 1 TeV) ((m/me)2 ≈ 4·104) Cu (Z=29) Kritična energija: Ec Ec C. Fabjan, 1987 PDG, 2004 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Čerenkovljevo zračenje Čerenkovljev efekt nastaje kad se nabijena čestica kreće brzinom većom od c/n (brzinom svjetlosti u tom mediju) gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu n index loma u tom sredstvu  Emitira se “udarni val” fotona Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Čerenkovljevi detektori Svojstva čerenkovljevih detektora Mjerenjem kuta mjerimo brzinu Dominira plava svjetlost Broj fotona ~ λ-valna duljina Primjena čerenkovljevih detektora Detektori praga (razdvajanje čestica istog impulsa a različitih masa) Identifikacija čestica (RICHSTAR) Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Interakcija fotona s materijom Fotoelektrični efekt Comptonovo raspršenje Pretpostavka elektroni su kvazi-slobodni i E » mec2: Atomski Compton udarni-presjek: PDG, 2004 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Interakcija fotona s materijom Proizvodnja parova Apsorpcijski koeficijent Ukupna vjerojatnost međudjelovanja fotona s materijom: X0 (Pb) = 6.4 g/cm2 Vjerojatnost po jedinici duljine ili ukupni apsorpcijski koeficijent (inverz od apsorpcijske duljine  ): PDG, 2004 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Interakcija s materijom Usporedba nuklearne interakcijske duljine (u cm) s radijacijskom duljinom (u cm) Materijal Z A Z/A X0 (cm) I (cm) Gustoća (g/cm3) H2 (tek.) 1 1.008 0.992 866 718 0.0708 He 2 4.002 0.500 756 520 0.125 C 6 12.01 18.8 38.1 2.27 Al 13 26.98 0.482 8.9 39.4 2.70 Cu 29 63.55 0.456 1.43 15.1 8.96 Pb 82 207.2 0.396 0.56 17.1 11.4 W 74 183.8 0.403 0.35 9.58 19.3 U 92 238.0 0.387 0.32 10.5 19.0 Scint. 0.538 42.4 81.5 1.03 BGO 0.421 1.12 22.1 7.10 CsI 0.416 1.85 36.9 4.53 NaI 0.427 2.59 41.1 3.67 I X0, 0 [cm] X0 Z Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Uvod u detekciju čestica Detekcija čestica Scintilatorima Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Energija i pozicija čestica se može mjeriti metodama Kalorimetri Energija i pozicija čestica se može mjeriti metodama totalne apsorpcije : Ulazna čestica interagira u detektoru velike mase, stvarajući sekundarne čestice ...pljusak. Gotovo sva početna energija čestice se pojavljuje ili kao ionizacija ili kao pobuđenje medija ”kalorimetar” Nužni su za određivanje energije neutralnih hadrona. Energijska rezolucija ~ dobra na vis. Energ. Kalorimetri daju brzu (100 ns) inf. o ukupnoj energiji Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Elektromagnetski kalorimetar Zakočno zračenje i proizvodnja parova stvaraju u kaskadi elektromagnetski pljusak Pretpostavimo da : E0 – energija primarnog elektrona X0 - radijacijska dužina Elektron nakon prolaska kroz X0 emitira foton energije Pri prolasku kroz jos jednu X0 foton se pretvori u e-e+ par (svaki od njih ima ene. ) Nakon t radijacijskih duljina imat ćemo čestica (fotona,elektrona,pozitrona) Energija čestice na dubini t bit će Proces se nastavlja dok ne bude kad ionizacija počinje biti važna a zračenje prestaje. Maximum pljuska će se desiti na: Broj čestica u maksimumu bit će: Suma duljina tragova u cijelom pljusku (u radijacijskim duljinama) je: Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Elektromagnetski kalorimetar ZADATAK Eksperiment s protonskim raspadom se može izvesti upotrebom velikog spremnika za vodu kubičnog oblika kao izvora protona, a mogući mod raspada se treba detektirati Čerenkovljevim svjetlom emitiranim kada elektromagnetski pljuskovi iz produkata raspada prolaze kroz vodu. Kako velik treba biti spremnik za vodu da bi sadržavao takve pljuskove ? Izračunajte sumu svih duljina tragova pljuska u jednom događaju, a od tuda i ukupni broj fotona emitiranih u vidljivom području (λ=400-700 nm). Svjetlo treba detektirati poljem fotomultiplikatora smještenih na vodenoj površini. Optička transmitivnost vode je 20 %, a efikasnost fotokatode je 15 %. Koji dio površine treba biti pokriven fotokatodama da se dobije energijska rezolucija 10 % ? Uzmite da se Čerenkovljevim zračenjem u vidljivom djelu spektra emitira 200 fotona cm-1 X0=36.1 cm Rezolucija se odredjuje fluktuacijom ( ) broja čestica u maksimumu (N) gdje je N~E Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Elektromagnetski kalorimetar Elektroni i pozitroni velike energijezakočno zračenje + produkcija parovapljusak Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Hadronski kalorimetar Hadronski pljusak : ulazni hadron  neelastični sudar proizvodnja sekundarnog hadrona … Skala longitudinalnog razvoja ovisi o nukl. aps. duljini λ (80 gcm-2 (C) , 130 gcm-2 (Fe), 210 gcm-2 (Pb) λ je velik u odnosu na X0 Hacal su veliki u odnosu na Ecal Željezo-scintilator longitud.~2m, transverz.~0.5 m U hadronskoj kaskadi 30 % energije se gubi (razbijanje jezgre,nuklearna pobudjenja, evaporacija neutrona)  upotreba 238U za kaskadni medij Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

_Katodna ravnina__________________________ MWC anodne žice Mnogožičane komore Ulazna čestica _Katodna ravnina__________________________ MWC anodne žice _Katodna ravnina___________________________ 2mm Svaka žica djeluje kao nezavisni proporcionalni brojač Katode su na neg. pot. (2kV) dok su anode uzemljene Signal na žici koja okida je negativan i velik Signal na susjednim žicama je mali i pozitivan Prostorna rezolucija ~ 1 mm Razlučivanje više hitaca Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Ostale ionizacijske komore Driftne (vlačne) komore Prostorna informacija iz mjerenja vremena pomaka (drifta) elektrona u ionizacijskom dogadjaju Nabijena čestica Drift područje -HV1 +HV2 Anodna žica Scintilacijski brojač Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Ostale ionizacijske komore Komore vremenske projekcije (time projection chamber) 3D tračni detektor Kombinacija vlačne i mnogožičane komore Mag. polje El. polje elektroni MWC Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Poluvodički detektori Analogni plinskim ionizacijskim detektorima: Čestica u prolazu stvara parove elektron-šupljina (elektron-ion) Umjesto plina medij je poluvodički (čvrsti) materijal Negativan napon na p-stranu, pozitivan napon na n-stranu Veći napon = više aktivnog medija + bolje skupljanje naboja Previsok napon poluvodič postaje vodič Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Poluvodički detektori (usporedba s ionizacijskim detektorima) E elektron – šupljina<E elektron-ion Bolja energijska rezolucija Bolja moć zaustavljanja od plinskih detektora (veća gustoća) Male dimenzije (<50 μm)dobra poz. Rezolucija Veća osjetljivost na zračenje (kraći vijek trajanja) Detektori male površine (cm2) (svaka trakapojačalo) Više materijalainterakcija čestica koje detektiramo Detektori trebaju ponekad hlađenje radi smanjivanja šuma Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Eksperimenti u FEČ Istovremena detekcija više čestica Hibridni detektori Eksperimenti u FEČ Istovremena detekcija više čestica Redoslijed detekcije čestica ilustriran je na slici: Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

STAR experiment Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Ubrzivači i otkrića novih čestica Najvažnija otkrića novih čestica nakon primjene ubrzivača Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Za vidjeti najmanje čestice: potrebne su najveće energije! E = mc2 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

E = mc2 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Uranjanje u subatomski svijet Da bismo “elektronskim mikroskopom” postigli rezoluciju treba elektrone ubrzati na energiju Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Možemo li koristiti kozmičke zrake ? Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Što je ograničavajući faktor? Van de Grafov ubrzivač Što je ograničavajući faktor? Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Princip rada linearnog ubrzivača SIMULACIJA Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

a) lin. ubrz. za Cs-137, f=10MHz, V0=100kV, Ti=1MeV Linearni ubrzivač a) lin. ubrz. za Cs-137, f=10MHz, V0=100kV, Ti=1MeV b) električno polje u t=0 (ubacivanje iona) c) električno polje u t=1/2f (f je RF frekvencija) Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Kružni ubrzivač (ciklotron) Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Ostali kružni ubrzivači Sinkrociklotron – prethodnik sinkrotrona mag. polje konstantno rf frekvencija se mijenja da bi se održala sinkronizacija u relativističkom režimu Sinkrotron magnetsko polje i rf frekvencija se mijenjaju da bi se čestice održale na stalnom polumjeru Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Betatron Zasnovan na principu mag. Indukcije. Podesan za elektrone. Konstruiran 1941 (D.W. Kerst). Uzima se takva promjena toka da omjer v i B u relaciji bude stalan. Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Ograničavajući faktori kružnih ubrzivača 1) Gubitak energije zračenjem: 2) Istraživanja na malim dimenzijama mali udarni presjek Luminoznost: L=broj čestica u jed. vrem./jedinica površine Vjerojatnost događaja=udarni presjek * luminoznost Za fiksiranu metu 3) Raspoloživa energija: Za sudarivač Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

televizija je ubrzivac čestica u malom! Ubrzavanje čestica televizija je ubrzivac čestica u malom! Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Sudarivači 1034cm-2s-1 5.2 x 1032cm-2s-1 4.3 x 1030cm-2s-1 1033cm-2s-1 LABORATORIJ Kratica Ime dužina (opseg) km Energija snopa vrsta čestica Luminozitet Stanford Linear Accelerator Center SLAC SLC 3.2 50 GeV e+ e- 1034cm-2s-1 Fermi National Accelerator Lab. FNAL TEVATRON 6.3 1000 GeV p, 5.2 x 1032cm-2s-1 Centre Europeene pour la Recherche Nucleare CERN LEP LHC 27 7000 GeV p, Pb Deutches Eektronen –Synchrotron DESY HERA e 26 GeV p 820 GeV 4.3 x 1030cm-2s-1 Tsukuba-Tokio KEK TRISTAN 3 e- e+ 30 GeV 1033cm-2s-1 Brookhaven National Lab. BNL RHIC 3.8 0.5 p, Au, D, C Au Au 1026cm-2s-1 p p 1031cm-2s-1 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Ubrzivači M. Tigner, Physics Today, January 2001 Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

LEP, LHC LEP and LHC at CERN, Geneva LEP: Centre-of-mass energy (e+e-) up to 205GeV LHC: Centre-of-mass energy (pp): 14000GeV = 14TeV Circuference: 27km Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Tevatron World’s Highest Energy proton-anti-proton collider - Tevatron Centre-of-Mass Energy: Ecm=1.96 TeV Circumference: 6.85km Chicago  Chicago CDF p DØ Tevatron p Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

HERA Collider experiment: Electron-Proton collisions at HERA (DESY, Hamburg, Germany) Equivalent to fixed target of Ee = 50600 GeV: Ee = 27.5 GeV Ep = 920 GeV Circumference: 6.3km Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

RHIC Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) New York City Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) Brookhaven National Laboratory (BNL) Long Island , NY Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

RHIC-spin Spin Rotators Siberian Snakes Absolute Polarimeter (H jet) AGS LINAC BOOSTER Pol. Proton Source 500 mA, 300 ms Spin Rotators Partial Siberian Snake Siberian Snakes 200 MeV Polarimeter AGS Internal Polarimeter Rf Dipoles Absolute Polarimeter (H jet) 2  1011 Pol. Protons / Bunch  = 20  mm mrad PHENIX PHOBOS BRAHMS & PP2PP STAR FY02 devices FY03 and beyond RHIC pC Polarimeter FY03 devices AGS pC Polarimeter Lmax = 2 x 1032 cm-2s-1 70% Beam Polarization 50 < √s < 500 GeV RHIC performanse u FY02: RHIC performanse u FY03: Energija snopa: 100 GeV Luminoznost:  5 • 1029 s-1 cm-2 Integrirana luminoznost:  0.3pb-1 Bunch crossing time: 213ns Polarizacija:  0.2 (transverse) Energija snopa: 100 GeV Luminoznost:  2 • 1030 s-1 cm-2 Integrirana luminoznost:  0.5 pb-1 (transferzalna)  0.4 pb-1 (longitudinalna) Bunch crossing time: 213ns Polarizacija:  0.3 (transferzalna i longitudinalna) Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Standardni model Gravitacija Elektomagnetska Jaka Slaba Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

No isto tako ostavlja i mnoga otvorena pitanja: Zašto CMS i LHC ? Standardni Model odgovara na mnoga pitanja o strukturi i stabilnosti materije sa svojih 6 vrsta kvarkova, 6 leptona i 4 sile No isto tako ostavlja i mnoga otvorena pitanja: Zašto postoje tri vrste kvarka i leptona za svaki naboj? Da li postoji neka zakonitost u njihovim masama? Da li na višim energijama možemo očekivati još novih čestica i sila? Da li kvarkovi i leptoni imaju podstrukturu? Koje čestice čine tamnu materiju u svemiru? Kako bi se gravitacijske interakcije mogle uključiti u standardni model? Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

Zamislite da je dvorana, puna fizičara Higgsov mehanizam 1 Zamislite da je dvorana, puna fizičara koji časkaju, kao prostor ispunjen Higgsovim poljem... 2 Jako poznati znanstvenik ulazi iznenada u dvoranu privlačeći skup (cluster) obožavatelja svakim svojim korakom Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić

...to povečava njegov otpor prema gibanju Higgs 3 ...to povečava njegov otpor prema gibanju tj. dobiva masu kao i čestica koja se giba kroz Higgsovo polje... 4 Ako vijest prijeđe u susjednu dvoranu ... 5 ...stvara opet cluster (skup) znanstvenika ali ovaj puta izmedju njih samih ... U toj analogiji clusteri su Higgsove čestice. Fizika elementarnih čestica prosinac 2007 Mirko Planinić