Kalorimetry 10/29/2004 1

Transkript

1 Kalorimetry měření energie s pomocí totální absorpce kombinované s prostorovou rekonstrukcí kalorimetrie je destruktivní metoda odezva detektoru E kalorimetrie funguje pro nabité částice (e+, e- a hadrony) neutrální částice (n, γ) základní mechanismus: tvorba elektromagnetických spršek hadronových spršek nakonec je tato energie konvertována na ionizaci nebo excitaci materiálu 1/29/24 1

2 Elektromagnetické spršky (1) Vysokoenergetické fotony a elektrony v materiálu: různé mechanismy energetických ztrát dominantní proces pro energie větší než 1 GeV: brzdné záření a tvorba párů Model elektromagnetické spršky: brzdné záření elektron vyzáří foton produkce párů foton konvertuje na pár e+e- kaskáda částic 1/29/24 2

3 Elektromagnetické spršky (2) (Heitler) E E / 2 E / 4 E / 8 / 16 E [ ] X každý elektron putuje 1 radiační délku a pak vyzáří foton s ½ E₀ každý foton putuje 1 radiační délku a produkuje pár s 1/ 2E γ elektrony s E<E c už nevyzařují zanedbáváme ionizační ztráty pro E<E c Počet částic po t rad.délkách: N(3)=2³=8 N ( t) = 2 = e 1/29/24 t t ln 2 3 Přibližně stejný počet e+,e- a fotonů t

4 Elektromagnetické spršky (3) Průměrná energie částice v hloubce t : V jaké hloubce je energie E? E(t)=E E ' = E C Maximální počet částic je když : E( t) = E 2 t ln( E / E') t ( E') = ln 2 t = max ln( E / ln 2 E C ) pak se sprška zastaví... long.rozměr spršky ln E Počet částic v maximu: E E t MAX ln 2 N max = e = C N max E Po t = t max je dominujícím procesem ionizace, Comptonův efekt a fotoefekt absorpce 1/29/24 4

5 Elektromagnetické spršky (4) To byl pouze zjednodušený model obvykle Monte Carlo programy (EGS). Důležité pro návrhy kalorimetrů!!! Pro E=1-1 GeV se nachází ( ) [ ] 95% energie spršky v: L 95% = t 9. max +.8Z + 6 X Příklad: 1 GeV v olovnatém skle ( = 11.8MeV ) tmax 13, L(95%) E C 23 Elektron v Cu: L(95%)=11 X pro 1 GeV, 22 X pro 1 TeV L(99%)=16 X pro 1 GeV, 27 X pro 1 TeV Rozměry kalorimetrů rostou s energií jen logaritmicky. 1/29/24 5

6 Elektromagnetické spršky (5) R M = 21MeV E C X / 2 [ g cm ] R M je Moliérův poloměr 1/29/24 6

7 Elektromagnetické spršky (6) Moliérův poloměr je méně závislý na Z než radiační délka X R M A Z A Z 2 1 ( A Z) Z 1 Příklad: Cu (Z=29) Pb (Z=82) ρ = 9 X gcm 3 = 14.3mm ρ = 11 X gcm = 5.6mm RM = 15.2mm RM = 16mm Moliérův poloměr se liší mnohem méně pro Cu a Pb než radiační délka. 3 1/29/24 7

8 1/29/24 8

9 Měření energie počet částic v maximu spršky je úměrný počáteční energii N max E 1/29/24 9 celková délka drah nabitých částic je úměrná počáteční energii L = 2 t max N( t) dt 3 L E signál v kalorimetru je úměrný celkové délce drah E visible L Měření primární energie částice určením celkové délky drah částic v kalorimetru

10 Energetické rozlišení ideální elektromagnetický kalorimetr (perfektní krystal) σ E ( N max ) 1 1 σ [GeV] E N N E max max vzorkovací (sampling) kalorimetr: jen část materiálu kalorimetru je aktivní méně viditelných částic σ E E ' SamplingTerm' E v reálném detektoru: elektronický šum, kalibrace... σ E E = a E b sampling člen+ velikost signálu (na př.statistika fotoelektronů) 1/29/24 1 c E šumový člen elektronický šum, radioaktivita, pile-up konstatní člen nehomogenita,špatná kalibrace mezi buňkami, nelineárnosti

11 Elmg. a hadronová sprška 1/29/24 11

12 TESLA kalorimetr červeně: energie elektronů a pozitronů zde : 2 elektromagnetické spršky modře: nabité hadronové dráhy (většinou π) černě: neutrony 1/29/24 12

13 Hadronové spršky (1) Velké fluktuace energie omezené eneretické rozlišení nabité piony,protony,kaony... rozštěpená jádra (vazebná energie), neutrony,neutrina,měkká γ Miony... neviditelná energie neutrální piony 2γ elektromagnetická kaskáda n( π ) ln E( GeV ) 4.6 1/29/24 13 Příklad: 1 GeV: n( π ) 18

14 Hadronové spršky (2) Pravděpodobnost interakce hadronů a tedy i střední volná dráha letu závisí i na rozměru hadronů: pp interakce při 1 GeV σ=38 mb πp interakce při 1 GeV σ=24 mb Interakční délka se udává pro protony TUDÍŽ Kalorimetr s délkou 1λ reprezentuje něco jako 7λ pro piony (je třeba brát v úvahu)!!! 1/29/24 14

15 Hadronové spršky (3) Podobnosti a rozdíly mezi elmg. a hadronovou sprškou 1. λ >,hadronové kalorimetry musí být větší než elektromagnetické int X 2. šířka hadronové kaskády > šířka elektromagnetické kaskády (šířka u elmg.spršky je dána mnohonásobným rozptylem (Molierův poloměr), u hadronové spršky velikostí p silných interakcí (<p >.35 GeV/c)) 3. 1/3π v hadronové spršce jsou πº, πº 2γ elmg. komponenta hadronové spršky 4. neviditelná energie rozpad jader, rozptyl dozadu, jaderná excitace neutrony s malou energií, miony, neutrina... 1/29/24 15

16 Elmg. a hadronová komponenta Nevíme, kolik energie v případu je elektromagnetické a kolik hadronové Frakce elmg.energie E = E elmg + E hadr f π = E elmg E f.11ln( E / E = 1GeV ) π Roste s energií f f π π 1 E E = 1GeV = 1TeV 1/29/24 16

17 Kompenzace (1) Hadronový kalorimetr: e/h = signál odpovídající čistě elmg. energii při celk.energii E signál odpovídající čistě hadronové energii při celk.energii E e/h 1 kompenzovaný kalorimetr e/h > 1 nekompenzovaný, ( ) 1/29/24 17

18 Jak se měří? e/π = Kompenzace (2) Místo e/h se měří signál e/π pro celou sérii energií... odezva kalorimetru na e (s energií E) odezva kalorimetru na π (s energií E) Očekáváme, že e/π<1 (π elmg + hadr) π = π / e f π = e + (1 f π f + (1 π f ) h π ) h / e e / π = 1 f π e / h (1 e / h) Změříme e/π (na E závislé) a spočítáme e/h na E nezávislé. e/π 1, když E e/h 1.3 pro Fe absorbátor 1/29/24 18

19 Kompenzované hadrononové kalorimetry Srovnávají odezvu elektromagnetických a hadronových interakcí e/h 1 vnitřně kompenzovaný kalorimetr: U 238 jako absorpční materiál (ZEUS experiment) - neutronové interakce přidávají další viditelnou energii - získáme e/h=1 vhodným výběrem absorpčního materiálu a jeho tloušťkou softwarová kompenzace: analýzou profilu spršek aplikujeme individuální škálové korekce - vyžaduje jemnou segmentaci kalorimetrických buněk 1/29/24 19

20 Typy kalorimetrů Homogenní kalorimetry: detektor = absorbátor dobré energetické rozlišení omezené prostorové rozlišení (hlavně v podélném směru používá se jen pro elektromagnetické kalorimetry Vzorkovací (sampling) kalorimetry: detektor a absorbátor jsou odděleny sbírá se jen část energie omezené energetické rozlišení dobré prostorové rozlišení používá se jak pro elektromagnetické tak i hadronové kalorimetry 1/29/24 2

21 Homogenní kalorimetry Dva hlavní typy kalorimetrů: krystaly - scintilátory bloky skla Čerenkovovo Krystalové kalorimetry: záření homogenní aktivní materiál BaBar: CsI(Tl) krystal: 67 buněk velmi dobré energetické rozlišení 1%/ E 1.2% rekonstrukce nízkoenerg.neutr. částic (π γγ) velmi nízký elektronický šum: 15 kev pracuje až do velmi nízkých energií: > 2 MeV, (5% fotonů pod 2 MeV) drahý citlivý na radiaci hygroskopický 1/29/24 21

22 BaBar (SLAC) The BaBar experiment SVT: 5 layers double-sided Si. Crucial for measuring Dt. DCH: 4 layers in 1 superlayers, axial and stereo. DIRC: Array of precisely machined quartz bars. Excellent Kaon identification. EMC: Crystal calorimeter (CsI(Tl)) Very good energy resolution. Electron ID, p and greco. Detector for Internally reflected Cherenkov radiation (DIRC) Electromagnetic Calorimeter (EMC) 1.5 T Solenoid IFR: Layers of RPCs within iron. Muon and neutral hadron (K L ) Drift chamber (DCH) Silicon Vertex Detector (SVT) Instrumented Flux Return (IFR) 1/29/24 22

23 L3 L3 detektor (LEP) 11 krystalů BGO, celkem 21.4 X σ E /E < 1% pro E>1 GeV prostorové rozlišení < 2mm pro E>2 GeV 1/29/24 23 fibers Xenon lamp fibers

24 Vzorkovací kalorimetry (1) Absorbátor + detektor jsou odděleny dodatečné fluktuace při sběru Sampling člen se definuje jako energie měřená částicí MIP v aktivních vrstvách kalorimetru vzhledem k celkové energii této částice deponované v kalorimetru Př: D experiment 3mm uranu, 5mm LAr, MIP částice ztrácí 1.6 MeV(6.15 MeV) v aktivní (pasivní) vrstvě kalorimetru Sampling člen= 1.6/( )=.147 nebo 14.7% 1/29/24 24

25 Vzorkovací kalorimetry (2) Pb sendvič absorbátor-mwpc, streamerové trubice ionizační komory se vzácnými plyny, LAr, (LXe,LKr) sendvič absorbátor+scintilátor scintilační vlákna, silikonové detektory absorbátor MWPC světlovodič detektor světla vysoké napětí scintilátor tekutý argon 1/29/24 25

26 Absorbátory - rozdíly Enegetické ztráty a složení ne-elektromagnetické komponenty hadr.spršek Simulace! Pb Fe Ionizace pionů 19% 21% Ionizace protonů 37% 53% Celk.ionizace 56% 74% Ztráty na jader.vaz.sílu 32% 16% Odražený terč 2% 5% Celk.neviditelná energie 34% 21% N nabit.pionů/gev N protonů/gev N neutronů kaskády/gev N odpař.neutronů/gev Neutrony/protony/GeV 1.5/1 1.3/1 Pb a Fe se chovají jinak silná asymetrie mezi neutrony a protony v Pb v důsledku Coulomb.bariéry, v Pb 12 MeV, v Fe 5 MeV. 1/29/24 26

27 Kalibrace kalorimetru absolutní: vztah mezi signálem v detektoru a GeV relativní: srovnává odezvu detektoru mezi různými buňkami Vstup do kalibrace: A priori znalost deponované energie (výpočty, Monte Carlo) Standardní kalibrační metody: testovací svazky e,π,p kosmické záření µ invariantní hmotnost π γγ, ρ ππ pružný rozptyl e+e- e+e- p T balance mezi elektronem a hadrony 1/29/24 27

28 Kalorimetr - ionizační komora Žádné zesílení, rozdíl potenciálu v mezeře e- anoda,ionty katoda Netečné plyny, Ar, Xe,Kr... Levný je LAr: experiment H1, DESY D, Tevatron LHC ATLAS, end cap ICARUS (Gran Sasso) homogenní LAr kalorimetr (neutrina,rozpad protonu) 1/29/24 28

29 H1 experiment LAr kryostat hadronový kalorimetr elektromagnetický kalorimetr mionové komory přední kalorimetr PLUG zadní kalorimetr SpaCal dráhový detektor cívka supravodivého magnetu (1.15 T) 1/29/24 29

30 Kalorimetr typu spagetti Rovina absorbátor-detektor nemusí být kolmá k letu částice: Stejně dobré energetické rozlišení má,když je podélná kalorimetr typu spagetti, H1 SpaCal kalorimetr buňky tvoří Pb destičky s scintilačními vlákny.5mm, 27 X a 1λ elmg.sekce má 1192 buněk hadronová 136 buněk 1/29/24 3

31 ATLAS end cup 1/29/24 31

32 ZEUS kalorimetr Experiment na urychlovači vstřícných svazků HERA v Hamburku, elektrony 27 GeV, protony 93 GeV. 2 úkoly pro R&D: rozlišení potřebné pro fyziku na HERA dostatečné s použitím U/plastik.scint. struktury tohoto energetického rozlišení nemůže být dosaženo jinak! Ukázalo se, že může,ale nakonec se stejně použil U! Vzorkovací kalorimetr s plastikovým scintilátorem a uranovým absorbátorem 1/29/24 32

33 Absorpční desky U: 98.4% 238 U.2% 235 U 1.4% Nb Kalorimetr ZEUS (1) Požadavky: výborné energetické a časové rozlišení uniformita, stabilita rychlá odezva (1 MHz bunch crossing ) Tloušťka elektromagnetické sekce: 25 X ( 1λ int ) hadronová sekce: 6.2 λ int vpředu 4.2 λ int centr. 3.1 λ int vzadu 1/29/24 33

34 Kalorimetr ZEUS (2) 1/29/24 34

35 Kalorimetr ZEUS (3) e Kompenzovaný kalorimetr = 1 h Absolutní kalibrace z testovacích svazků 3-4% 1/29/24 35

36 1/29/24 36

37 Objevy s kalorimetry intermediální W a Z bozony (1983) SPS collider CERN, pp interakce při s=54 GeV, experimenty UA1, UA2: UA2 elmg.kalorimetr s 17 X a hadronový s 4λ oscilace neutrin (1997) Super(Kamiokande) experimenty top kvark (1992) Tevatron, Fermilab pp interakce při s=1.8 TeV, experimenty CDF a D budoucnost? Higgs!! (2??) LHC CERN, (Fermilab?) ATLAS elmg.kalorimetr X, hadr. 1 λ 1/29/24 37

38 1/29/24 38

39 1/29/24 39

40 1/29/24 4

41 1/29/24 41

42 1/29/24 42

43 1/29/24 43

44 1/29/24 44

45 Zapamatovat si!!! kalorimetry jsou oblíbená otázka u státnic (doktorandských zkoušek)!!! kalorimetry jsou velmi důležitou součástí většiny experimentů, přispěly podstatnou měrou k mnoha významným objevům elektromagnetické kalorimetry vždy blíže interakci než hadronové, proč? jaké jsou typické rozměry elektromagnetických a hadronových kalorimetrů elektromagnetické desítky X hadronové - asi 5-8 λ rozlišení se zlepšuje s růstem energie!!!!!!!!!!!! 1/29/24 45