Identifikace částic. Důležitý aspekt pro experimentování ve fyzice vys.energií

Transkript

1 Identifikace částic Důležitý aspekt pro experimentování ve fyzice vys.energií Některé fyzikální veličiny je možné studovat jen s pomocí sofistikované identifikac částic (B- fyzika, CP narušení, řídké exkluzivní rozpady) Chceme odlišit: π/k, K/p, e/π, γ/π 0... Použitelné metody závisí hodně na oblasti energií, která nás zajímá... Podle toho, co nás zajímá, budeme optimalizovat buď ε xx nebo ε xy : Efektivita: Špatná identifikace: Vyloučení: ε xx Rxy = N / tag x ε xy = ε / ε xx = xy N x x tag N y / N y N x tag,n y tag počet případů označených jako případy typu x a y, N x,n y - skutečný počet případů x a y N y x tag počet případů y označených chybně jako x 1

2 Energetické ztráty (1) p = de dx m 0 βγ 1 β ln ( β γ ) Současným měřením p (v magnetickém poli) a de/dx určíme hmotnost m a tedy identitu částice Ale: velké fluktuace + Landaovy taily

3 Energetické ztráty () Jak zlepšit rozlišení de/dx a zmenšit vliv Land.tailů? vybrat plyn s velkou specifickou ionizací rozdělit délku detektoru L na N intervalů s tloušťkou d odečist de/dx N krát Dráha by se neměla rozdělit na příliš mnoho částí. Existuje optimální výběr pro každý detektor s délkou L. Při výpočtu stř.hodnoty ignorujte soubory s největšími hodnotami! Rozlišení může zlepšit i zvýšení tlaku, ale pozor na zmenšený rel.růst (způsobený větší hustotou). 3

4 Energetické ztráty (3) Příklad: ALEPH (LEP) Plyn: Ar/CH 4 90/10 N samp =338, vzdálenost drátů 4mm, de/dx rozlišení: 5% pro MIPs 4

5 Energetické ztráty (4) π K p MC 97 Energetické ztráty de/dx mohou být získány i z silikonových detektorů e Data 97 Příklad: DELPHI (LEP) vrcholový silikonový detektor (3 x 300 µm Si) 5

6 Identifikace protonů v ZEUSu e + p Θ + + X K 0 s p + X DIS (Q >1 GeV ):96-00 data 11 pb -1 Identify K 0 s, Remove Λ pπ and converted γ s Limited particle identification via de/dx select proton candidates p(p)<1.5 GeV, de/dx>1.15 mips protony 6

7 7 Doba letu TOF (1) Doba letu (Time Of Flight,TOF) je metoda identifikace částic. Měříme rychlost částice a impuls určíme hmotnost Měříme jak dlouho trvá (čas) částici projít známou vzdálenost. t=x/v=x/(βc) with β=pc/e=pc/[(mc ) +(pc) ] 1/ pc p mc x t 1/ ) ) (( + = částice s různou hmotností ale stejným impulsem: ) ( ) ( ) ) (( ) ( ) ) (( p m m x pc p c m x pc p m c x t t = + + = ) )( ( t t t t t t + = ) ( ) ( p t t m m x t t + = ps/m ) ( 1667 ) ( p m m x cp m m x t t = x pro velký impuls (t.j. p>1 GeV/c pro π): t 1 +t =t a x/t c

8 t = t 1 t = Doba letu TOF () x( m1 m cp ) x( m1 m = 1667 p ) ps/m Např.m 1 =m π (140MeV), m =m k (494MeV), a x=10m t=3.8 ns pro p=1 GeV t=0.95 ns pro p=gev Scintilátor+PMT mohou měřit takové malé časové rozdíly Časové rozlišení dobrého TOF systému je σ 150ps (0.15 ns) Ve vstřícných svazcích, 0.5 <x< 1 m malé x vede k omezení na t. Prox=1 m, p=1gevk/π oddělení t 380 psec < 3 σ oddělení 1.4 GeV/c π s and K s No pulse height correction x =1 meter with pulse height correction 8

9 Použití TOF (1) Příklad: experiment NA49 s těžkými ionty v CERNu Time projection chambers 9

10 NA49 Až 500 produkovaných hadronů! 60% je detekováno v TPC. 10

11 Použití TOF () 11

12 Čerenkovovo záření (1) Čerenkovovo záření nastává když rychlost nabité částice procházející dielektrickým prostředím převýší rychlost světla v prostředí. Index lomu je n. Rychlost částice Rychlost světla v = β > 1 c n Ve vodě s n=1.33, začne částice zářit,když v >.5x10 10 cm/s Huyghensovy vlnoplochy záření Žádné záření (c/n)t θ βct Úhel Čerenkovova zářeni je: cos θ = 1 nβ V čase t se vlnoplocha pohybuje (c/n)t ale částice βct. 1

13 Vznik Čerenkovova záření 13

14 Pohyb částice - vlnoplochy Částice se pohybuje rychlostí menší než rychlost světla v daném prostředí Částice se pohybuje rychlostí větší než rychlost světla v daném prostředí 14 Ćerenkovovo záření

15 1 β t = n β t γ t = Práh pro Čerenkovovo záření γ t = 1 1 β t = 1 1 = n 1 ( n 1)( n + 1) n n 1 = β t 1 n 1 Pro plyny je výhodné definovat δ=n-1,pak: 1 β t γ t = δ ( δ + ) Impuls (p t ), který dostaneme pro Čerenkovovo záření: p t = mβ γ t t = m δ ( δ + ) Medium δ=n-1 γ t helium 3.3x CO 4.3x H O glass Pro plyn s δ+ takže prahový impuls aproximujeme jako: m pt = mβ tγ t = δ pro helium δ=3.3x10-5 : elektrony 63 MeV/c kaony 61 GeV/c piony 17 GeV/c protony 115GeV/c 15

16 Počet fotonů vyzářených ČZ (1) Z klasické elektrodynamiky (Frank&Tamm 1937, Nobelova cena 1958) plyne pro ionizační ztráty pro vlnovou délku (λ) na dx, náboj=1, βn>1: de πα E 1 = 1 dxdλ λ β n( λ) α=konstanta jemné struktury, n(λ) je index lomu závislý na vln.délce dn=de/e de πα E 1 dn πα 1 = 1 = 1 dxdλ λ β n( λ ) dxdλ λ β n( λ) Nechť n(λ) je konstantní=n: 1 dn πα 1 dn πα 1 = 1 cos θ = sin θ = 1 = = sin θ β n( λ) λ λ dxd β ( λ) n dxd λ λ Spočítáme počet fotonů/dx integrací přes vln.délky,které mohou být detekovány v PMT (λ 1, λ ): dn dx λ 1 dλ = πα sin θ = πα sin λ λ 1 1 θ λ1 λ Když máme PMT s fotokatodou, která má efektivitu závislou na λ : dn dx = πα sin λ f ( λ ) θ λ 1 dλ λ 16

17 Počet fotonů vyzářených ČZ () Pro typickou PMT je rozmezí (λ 1, λ )= (350nm, 500nm). dn dx = πα sin θ = πα sin θ = 390sin λ1 λ cm 1 ( β n + 1)( β n 1) ( n + 1)( n 1) θ = 1 cos θ = 1 = β 1 sin β n β n Pro vysoce relativistickou částici prochážející plynem: ( β n + 1)( β n 1) ( n + 1)( n 1) sin θ = ( n 1) 1 β n β n β 1,gas dn dx = 780( n 1) fotonů/cm PLYN n θ fotonů/cm He : CO : H O : -3 fotony/m (dost málo!) ~33 fotonů/m ~34000 fotonů/m Fotony se převážně emitují s malými λ (modré) Pro většinu Čerenkovských detektorů je světelný výtěžek malý díky omezením v prostoru, indexu lomu prostředí a efektivitě PMT. 17

18 Čerenkovovo záření () Ve vodě, nabitá ultrarelativistická částice ztrácí na 1cm 400 ev Čerenkovovým zářením a MeV ionizací. stálý signál, žádné zpoždění (trigger!) slabý signál 18

19 Detektory Č. záření (1) Detektory mohou využít měření: N,(β): prahové detektory (neměří úhel!) θ,(β): diferenciální a Ring Imaging Cherenkov detektory (RICH) Design Čerenkovova detektoru: co nejmenší ionizační ztráty a mnohonásobný rozptyl v radiátoru index lomu n radiátoru,opt.soustavy a okna fotonásobiče co nejbližší omezená efektivita sběrného systému kvalitní fotonásobiče! použití vlnových posunovačů světla (wave-length shifter) vede k zvětšení vln.délky λ do oblasti, kde PMT jsou citlivější 19

20 Typy Čerenkovových detektorů (1) Prahové detektory (ano-ne zařízení) Differenciální detektory (využití úhlu Čerenkovova záření) Ring imaging counter (RICH) (využití kužele světla) Prahový detektor Prahový detektor Identifikuje částice,které vyzařují ČZ. Může oddělit elektrony od těžších částic (π, K, p), elektrony přestanou zářit při mnohem menším impulsu ( 68 MeV/c vs 17 GeV/c pro He) Problémy: nad určitým impulsem bude zářit více druhůčástic. obvykle používají plyn, což vede k malému výtěžku fotonů (n-1 malé) malé počty fotonů špatná efektivita, např. <n γ >=3, pravděpod.že žádný foton: P(0)=e -3 =5%! Až pro 5 fotoelektronů emitovaných z katody pravd. 1%. Stínění PMT v mg.poli! 0

21 Typy Čerenkovových detektorů () Diferenciální Čerenkovův detektor: Využívá úhlu Čerenkovova záření a sbírá světlo jen pod určitým úhlem. Pro fixní impuls je cosθ funkcí hmoty: 1 cosθ = = n β 1 = n( p / E) m + np p Diferenciální Čerenkovovy detektory pracují zpravidla pro fixní impuls: (např. svazkové monitory, - měření poměru počtu π nebo K ve svazku). Problémy: Komplikovaná optika. Stínění PMT v silném mag.poli Ne všechno světlo se dostane do PMT! 1

22 Detektory Č. záření (3) Diferenciální Čerenkovův detektor Změna clony jiná rychlost ANEBO změna tlaku v detektoru (jiné n) n n = P P 0 n 0 index lomu při atm.tlaku P 0 Zvětšíme tlak snížíme práh pro detekci Č.z. β β = 1/ θ n β ( ) ( ncosθ ) = tg θ ( ) + ( n / ) β β tgθ θ Korekce opt.systému na disperzi atd., změna tlaku v detektoru 10-5 až 10-7 (DISC) Directional Isochronous Self Collimation

23 Typy Čerenkovových detektorů (3) Ring Imaging Čerenkov Counter (RICH) RICH detektory využívají kužel Č.záření. ½ úhlu (θ) kužele je: 1 cosθ = θ = arccos nβ m + p np Poloměr kužele je: r=ltanθ, kde L vzdálenost ve které pozorujeme kruh. Pro částici s p=1gev/c, L=1 m, v LiF (n=1.39): θ(deg) r(m) Výborná π/k/p separace! π K Měřením p a r můžeme identifikovat P typ částice. Problémy: velmi komplikovaná optika (projekce nejsou obvykle kruhy) komplikovaný způsob čtení(např. drátové komory, kanalů) velká plocha pokrytá fotocitlivými detektory fotonový výtěžek malý, obvykle jen málo (10-0) bodů v kruhu L θ r 3

24 DELPHI (1) 4

25 DELPHI () 5

26 DELPHI (3) 6

27 DELPHI (4) 7

28 Projekt Auger Detekce kosmického záření s energiemi nad ev 1 částice/km /rok Energetické spektrum, směr letu a identita částic. povrchové pole detektorů (Čerenkov) celkem 1600 sudů, vzdálenost 1.5km, pokrytí 3000 km argentinské pampy fluorescenční detektory (zrcadla, Schmidtova komora s pixelovými detektory) 4 teleskopy Naše účast výroba zrcadel (Olomouc) Část zařízení je v provozu, první data, bude dokončeno v r

29 Auger () Communications antenna GPS antenna Electronics enclosure Solar panels Battery box 3 nine inch photomultiplier tubes Plastic tank with 1 tons of water 9

30 HERMES (1) Měření spinových asymetrií Experiment na HERA s vnitřním terčem (H,D,He), podélně polarizovaný elektronový, (pozitronový) svazek 7.5 GeV Identifikace částic - kalorimetr RICH, preshower, TRD. Požadavek identifikace K,p v oblasti -15 GeV. 30

31 HERMES () Dvojitý radiátor: Aerogel (n=1.03) a C 4 F 10 (n=1.0014) Pokrývá téměř celou kinem. oblast produkovaných hadronů. 31

32 HERMES (3) Identifikace je x lepší než starou metodou (prahový Č. detektor) 3

33 33

34 34

35 Možnosti RICH na CLEO Number of detected photons on 5 GeV electrons D* s without/with RICH information A track in the RICH Preliminary data on π/k separation 35

36 Kamiokande a SuperKamiokande Kamiokande ( ) v dolech, 400km SZ od Tokia, hloubka 1km původně studium protonového rozpadu... V r detekce neutrin z exploze Supernovy 1987a Detekce neutrin z 1 GeV urychlovače KEK, KK 36

37 SuperKamiokande (1) Původní účel experimentu bylo hledání protonového rozpadu: p e + π 0 Hlavní požadavky experimentu Vyžaduje spousty protonů (doba rozpadu 10 3 let 7x10 3 t H O) Rozměr: Válec s 41.4m (výška) x 39.3m (poloměr) Váha: 50,000 t čisté vody Potřeba identifikace e - a π 0 Vyloučit pozadí (kosmické zářeni, přirozená radiace) v hloubce 10 3 m v dole Mozumi společnosti Kamioka Mining&Smelting V SuperKamiokande 37

38 SuperKamiokande () Požadavky: Identifikace π 0,protože π 0 γγ identifikace γ potřeba měřit energii nebo impuls e a π 0 bez magnetického pole měření energie jako množství Čerenkovových fotonů detekce Čerenkovových fotonů pomocí PMT 1100 PMT, každý o průměru 50cm, největší rozměry na světě Energetické 1 GeV a 16% (pro 10 MeV) Energetický práh: 5 MeV Potřeba měření e a π o abychom si byli jisti,že letí ze stejného vrcholu (Čerenkovovo záření má směr!) Měření času produkce e and π o (musí být stejný) Čerenkovovo záření je rychlé, několik ns Kandidát na rozpad protonu (nakonec neprošel cuty) Nov. 13: Bottom of the SK detector covered with shattered PMT glass pieces and dynodes. Havárie v listopadu 001, zničená 1/3 fotonásobičů 38

39 Detekce neutrin 3 února 1987 exploze supernovy ve Velkém Magalenově mračnu. V Kamiokande bylo detekováno prvních 11 neutrin z kosmu a zahájena éra neutrinové astronomie. Supernova vznikla následkem kolapsu hvězdy 0x hmotnější než Slunce. Exploze během 0s. Uvolněná energie byla 1000x větší než celková energie Slunce vyprodukovaná během jeho existence dlouhé 4.5 miliard let. 39

40 SuperKamiokande (3) 481 MeV mionové neutrino produkuje 394 MeV mion rozpadající se v klidu na 5 MeV elektron. Kruh pro mion modrý, elekronový kruh je zeleno-žlutý. Barvy odpovídají času,kdy byl PMT zasažen Čerenkovým fotonem. Barevná škála odpovídá času od 830 do 1816 ns s krokem 15.9 ns. Vpravo jsou histogramy časového rozdělení náboje, jeden z mionu a druhý z časově zpožděného elektronu z mionového rozpadu. Rozměr čtverečků odpovídá množství světla pozorovaného v PMT. Pro vodu je n=1.33 pro β=1 částici cosθ=1/1.33, θ=41 o From SuperK site 40

41 Miony a elektrony Barvy označují dobu příchodu světla do fotonásobiče. Modrá odpovídá krátkému času,červená dlouhému. Histogram vpravo časové rozdělení náboje. Rozměr čtverečků množství světla. Mion 603 MeV Elektron 49 MeV 41

42 Solární neutrina Měření solárních neutrin v reakci ν e, µ,τ + e ν e, µ,τ + e NC a CC ν ee jen neutrální proudy (NC) ν µ,τ e Výpočet z teorie elektroslabých interakcí Směr elektronu prakticky totožný se směrem neutrina. Simulace elektronu s E=0 MeV Pozoruje se jen 37% očekávaných neutrin oscilace 4

43 Rozpad π 0, rozptyl solárního neutrina na e 43

44 KK (1) 44

45 KK-test oscilace ν () Svazek mionových neutrin v 1 GeV z urychlovače KEK směřuje do detektoru SuperKamiokande ve vzdálenosti 0 km (pulsy každých.s). Intenzita a energetické spektrum svazku se měří v blízkých detektorech v KEK a pak v SuperKamiokande. Deficit v toku neutrin nebo změna energ.spektra evidence neutrinových oscilací Výsledek 108 pozorovaných neutrin v Superkamiokande místo očekávaných 151. Pravděpodobnost statistické fluktuace je M.Koshiba, Nobelova cena v r

46 Ostatní neutrinové teleskopy Neutrina z kosmu nebo miony vysokých energií. Interakce neutrin s energií nad 100 GeV, velké detekční objemy, hlavně mionová neutrina interakce neutrina s jádrem via CC produkuje se mion. Čerenkovovy detektory v moři, jezerech,ledu. Práh je 160 MeV pro n=1.33 (voda). Miony nad 1TeV ztrácí energii hlavně brzdným zářením a přímou tvorbou párů. Třírozměrná matice PMT měření energetických ztrát energie mionu. Projekty: ANTARES Francie, BAIKAL Rusko, NESTOR Řecko, AMANDA Jižní Pól 46

47 Schema experimentů Jen neutrina projdou beze změn k zeměkouli, která se používá jako filtr pozorují se miony letící zdola! Filtr je potřebný kvůli odlišení mionů z kosmického záření 47

48 Někdy interaguje kosmické neutrino s částicemi tvořícími led (vodu) Čerenkovův světeln telný kužel Detektor tor ve srážce se produkuje mion (nebo elektron tron, nebo tau) γ mion nebo taon interakce Mion vyzařuje modré světlo Optické sensory detekují světlo neutrino

49 ANTARES-neutrino teleskop 40 km jižně od břehu Francie hloubka 400m 14.5 m 350 m ~60-75 m 100 m Junction box Readout cables 40 km to shore 49

50 North AMANDA South Pole road to 1500 m work Dome Summer camp 50 Amundsen-Scott South Pole station 000 m [not to scale]

51 AMANDA II up-going muon t i m e 61 modules hit > 4 neutrinos/day on-line Size ~Number of Photons 51

52 Skyplot Amanda-II, events below horizon above horizon: mostly fake events 5

53 53

54 0 m 50 m Ice Top Snow Layer 300 m 1400 m IceCube 400 m 54

55 Size Perspective 300 m 1500 m 50 m 500 m 55

56 0 m 50 m 1400 m 400 m 300 m Runway South Pole IceCube 80 Strings 4800 PMT Instrumented volume: 1 km3 (1 Gigaton) IceCube is designed to detect neutrinos of all flavors at energies from 10 7 ev (SN) to 10 0 ev 56

57 x ev event in AMANDA and IceCube 57

58 Detektory přechodového záření Přehledný článek B.Dolgoshein: NIM A 36 (1993) 434 Částice prochází prostředím s nespojitým indexem lomu (např.rozhraní vakua a dielektrické vrstvy) emise elektromagnetického záření, pozorovali Ginzburg a Frank (1946) médium vakuum elektron vyzářená energie na 1 přechod prostředí/vakuum W 1 = α hω pγ W 3 hustota v kg/m ρ Z ω p = 9 ev 1000 A hω 14eV ( Li) p γ dipól, pole se mění s t emise elmg. záření jedině vysokoenergetický elektron vyzařuje PZ 58

59 Přechodové záření (1) počet vyzářených fotonů/hranici je malý vyžaduje se mnoho přechodů N ph W = α hω vyzařuje se rentgenovo záření s ostrým peakem na malé úhly, TR zůstává blízko primární dráhy θ 1 γ γ 1000 i více emisní spektrum přechodového záření (TR) fotony v oblasti kev E γ = hω 1 hω pγ 3 V radiátoru dochází k absorpci atomové číslo A fólií co nejmenší Používá se k identifikaci částic měřením γ nebo jako prahový detektor (rozlišení částic,které vyzařují nebo nevyzařují TR) 59

60 Přechodové záření (3) Radiátory přechodového záření: používají se bloky fólií CH materiál s malým Z, aby byla reabsorpce co nejmenší ( Z⁵ ) (Li, polyetylen, C) sendvič tvořený blokem radiátorů a detektorů minimalizace re-absorpce R D R D R D R D R D detektor by měl být citlivý pro používají se hlavně plynové detektory: 3 EMWPC,driftové γ 30keV a stéblové komory TRD se používají pro identifikaci ultrareltivistických částic s γ>1000, kde identifikační metody založené na rychlosti (TOF, Čerenkov,dE/dx) selhávají... 60

61 Přechodové záření (4) Vnitřní problém: detektor vidí TR i de/dx Můžeme použít i magnetické pole a částici odklonit Oddělení s pomocí prahu ATLAS Transition Radiation Tracker Prototyp koncového kola detektor rentgenova záření jsou stéblové trubky (4mm) celkem kusů - plyn Xe 61

62 Přechodové záření (5) pion efficiency Piony považované za elektrony elektron efficiency 6

63 Detektor TRT - ALICE Prototyp detektoru TRT pro komplex ALICE (LHC). ALICE = komplex pro iontiont interakce, hledáni kvarkgluonového plasmatu. Vlevo navrhovaný rozměr, vpravo 4 menší prototypy For the first time a full-size prototype (1.6 metres long by 1. metres wide) is joining its smaller-size siblings in beam measurements. In the final configuration, 540 such modules (with a total area of almost 800 square metres) will be arranged in a 6-layer barrel surrounding the ALICE Time Projection Chamber (TPC). With more than a million readout channels, the ALICE TRD will be the biggest TRD ever built. 63

64 ALICE 64

65 Identifikace částic v kalorimetrech elektron/pozitron: elektromagnetická sprška v kalorimetru, srovnání impulsu (měřeného v driftových komorách) s energií, vyžaduje E/p 1. Není efektivní když elektron má stejnou energii jako MIP (oba mají E/p 1). foton: EM sprška v kalorimetru není spojená s nabitou dráhou v driftové komoře. mion: nabitá dráha v driftové komoře,která nedává spršku v EM kalorimetru a neinteraguje v hadronovém kalorimetru. Pozadí z pionů (a kaonů),které se rozpadají na letu (π µν) a/nebo neinteragující π/k. neutrino: srovnání viditelné energie (kalorimetr) s měřeným impulsem (driftové komory) z hlediska imbalance v případu. neutron nebo K L : hadronová sprška v kalorimetru, která se nedá spojit s dráhou v driftové komoře. Vyžaduje hadronový kalorimetr. π 0, η : měření invariantní hmotnosti kombinací γγ. 65

66 Identifikace částic 66

67 Identifikace částic-shrnutí Shrnutí: existuje značný počet metod, které umožňují identifikovat částice v široké oblasti impulsů v závislosti na zařízení se kvalita i možnosti identifikace mohou značně lišit. 67

68 Trigger (1) Cíl: zajistit, aby detektor byl citlivý k zápisu případu vybrat zajímavé případy mezi pozadím Pozadí: kosmické záření vertikálně letící µ s vysokou energií případy svazek-plyn interakce svazkové částice s molekulami zbytkového plynu halo miony široký oblak mionů doprovázející protonový svazek případy svazek-svazek reprezentující nudnou (již změřenou) část účinného průřezu případy z části fázového objemu,kde je účinný průřez velmi velký 68

69 Trigger () Proč? detektor většinou nemůže zaznamenat všechny případy, zapisování na média během čtení (read out) není detektor citlivý mrtvá doba (až 10% na HERA) prostor na disku by byl neúnosně velký e+e- vstřícné svazky (LEP) časová vzdálenost mezi dvěma balíky 10µs trigger: rychlý signál (např. scintilátory) je daný případ zajímavý?. úroveň: signál z pomalejších detektorů 3. úroveň: pomalé detektory (driftové komory) pro hledání drah na základě informace triggeru 3. stupně případ je akceptován nebo ne 69

70 Trigger (3) ep a pp svazky mnohem komplikovanější (velké počty případů, časový interval mezi balíky je menší. Účinný průřez pro novou fyziku je σ tot! HERA: 30 GeV elektrony a 90 GeV protony, 10 balíků balík má 1011 částic, obvod 6.3km, časový interval 96 ns! pozadí: khz fyzika (fotoprodukce) 00 khz Faktor je jen faktor pro odstranění nefyzikálního pozadí (nikoliv tedy pro výběr zajímavých interakcí.) 5 Hz tedy faktor 0000! 70

71 Trigger (4) LHC pp interakce: časový interval mezi balíky částic (bunch crossing interval) 5 ns pozadí bude velmi velké relativně malý zajímavý účinný průřez očekává se v průměru až 3 případů při každé srážce balíků (pile-up) 71

72 LHC, ATLAS a Trigger/DAQ LHC zařízení klade extrémní nároky na detektory,vede k vysokým intenzitám a rozměrům případů pro systémy trigeru a DAQ CMS energie Luminosita-návrh Počet interakcí na srážku balíků Vzdálenost balíků 14 TeV cm - s -1 ~3 5 ns T/DAQ požadavky V některých případech: TOF > 5 ns potřeba identifikovat bunch crossing Některé signály z detektorů > 5 ns integruje informaci z více než jednoho bunch crossing Synchronizace elementů detektoru s přesností lepší než 5 ns Může ukládat data s frekvencí 00 Hz vyžaduje zanedbat většinu interakcí 7

73 Trigger (5) Příklad: CDF a D0 pro Run na Tevatronu Beam crossing rate = 7.6MHz asi 750K kanálů s ~4 Byty každý 3 MByte Rate ~ 0 TeraByte/s Použitím zero suppression nezasažených kanálů 50kB/event Stále rate ~ TeraByte/s Po triggeru, CDF nebo D0 zapisuje ~ 0MB/s! Trigger vylučuje % 73

74 Experimentální omezení Různé experimenty mají různé požadavky na trigger díky různým: svazku případů pozadí, zdroj pozadí/kalibrace pro mnohé experimenty imenty terči v terči vazky ozadí - interakce svazku s plynem a se stěnou trubice ubice ek-plyn -měkké procesy QCD esy QCD 74

75 Problém pile-up (1) V LHC 10 9 interakcí/s, částice se pohybují v balících, je protonů v balíku, které se srážejí každých 5 ns. 5 n s detektor V každé interakcí balíků se produkuje průměrně 5 minimum bias případů, efekt se nazývá pile-up. Produkuje se asi 1000 nabitých částic s η.5. Protože ale <p t > 500 MeV v minimum bias, aplikace cutu na p t dovolí vytáhnout zajímavé částice. 75

76 Problém pile-up () Simulace ve vnitřním detektoru CMS 76

77 77

78 78

79 Problém pile-up (3) Pile-up je jedna z největších experimentálních komplikací na LHC a má velký dopad na design detektoru. LHC detektory musí mít rychlou odezvu, jinak budeme integrovat přes několik srážek balíků. Typická odezva je 0-50 ns integrujeme přes 1- srážky balíků, můžeme mít pile-up 5-50 minimum bias interakcí náročné požadavky na elektroniku!! vysoká granularita, abychom minimalizovali pravděpodobnost, že pile-up částice se dostanou do stejného elementu detektoru jako zajímavý objekt vysoká granularita velké náklady! 79

80 Pozadí Příklad z experimentu H1, kde se překrývají současně 3 procesy pozadí: mion z kosmického záření (vertikálně procházející částice) halo mion (horizontální částice souběžná se svazkem) interakce svazek/plyn (aktivita v přední oblasti) 80

81 H1 trigger a DAQ H1 používá zásobník (pipeline buffer) 3 srážek balíků 3µs trigger 1.úrovně L1 musí do 3µs rozhodnout nebo jsou data ztracena když L1 bere případ, data bufferu jsou zmražena, začíná mrtvá doba a začíná čtení dat současně L,L3 počítají složitější charakteristiky případu - L má 0µs - L3 má 100µs když L nebo L3 odmitnou případ, pipeline je znovu aktivovaná a nabírání dat pokračuje. konečný trigger je L4, výstup je okolo 50 Hz, případy se zapisují na média 81

82 Trigger a DAQ Trigery pro procesy s velkým účinným průřezem mohou být přeškálovány t.j. bere se jeden případ z n. DAQ = Data Acquisition = sběr dat Není ostrá hranice mezi rozhodováním na úrovni vyšších úrovní triggeru a DAQ obecně: trigger = hardware, DAQ = software Slow control = Pomalá kontrola: Monitoruje několik set veličin (teplota,tlak,napětí...) a zapisuje do databáze 8

83 Jak vypadá HEP Experiment Určit fyzikální cíl Simulační studie Svazek/Detektor Elektronika R&D Čtení Trigger(hardware) Kosmické záření Příprava svazku Ladění systému Návrh subdetektorů Subdetektory R&D Test svazků Integrace systému Kalibrace systému Nabírání dat Analýza dat Publikace výsledků Software R&D Simulační kód Trigger(software) Nabírání hrubých dat Rekonstrukce dat Sběr/MDST Pomůcky pro analýzu Databáze Kalibrace Monitorování Impuls/Energie/Hmotnost PID/Doba života/bf Rozlišení/Efektivita/pozadí Systematické studie 83

84 Proč dělat simulace? HEP experimentalní zařízení vyžaduje velké náklady. Optimalizace detektoru je potřebná před konstrukcí detektoru. Knihovna simulací obsahuje všechnu možnou fyziku procesů, které už byly prozkoumány. Chování detektorů může být testováno a odladěno Je možné vidět, jak se bude chovat detektor a zkrátit tak čas kompletace celého systému. 84

85 Zpracování dat měřená data srovnání s teoretickou předpovědí fyzikální závěry Většinou není možné srovnat s analytickou předpovědí (málokdy existuje) kromě toho musíme brát v úvahu akceptanci detektoru a jeho odezvu! Monte Carlo simulace fyzikálních procesů používají se náhodná čisla 85

86 Co to je? Monte Carlo program počítající účinný průřez specifického fyzikálního procesu v definované kinematické oblasti kód používá náhodná čísla k integraci proto MC účinný průřez se sčítá náhodně přes celý fázový objem obvykle se používá jen v nejvyšším řádu (LO)poruchové teorie (nyní se pracuje na MC modelech i pro NLO řády poruchové QCD). PYTHIA,HERWIG,RAPGAP,ARIADNE,POMPYT... 86

87 Generátor případů Lundské Monte Carlo používající PYTHIA/JETSET je nejpopulárnější generátor v HEP experimentech popisující srážky částic vysokých energií jako např.e+/e-/p/pbar v různých kombinacích. PYTHIA/JETSET[CERN-TH.711/93] obsahuje teorii/model pro mnoho fyzikálních aspektů, zahrnujících např.hard/soft interakce, fragmentaci a rozpady. Obvykle každý experiment má svůj vlastní oblíbený generátor, mírně modifikovaný, přizpůsobený specifickým požadavkům experimentu. Viz: wwwinfo.cern.ch/asd/cernlib/mc.html 87

88 procesy jsou statisticky simulovány na partonové úrovni vysokoenergetické částice vyzařují až mají všechny malou energii, pak se z nich tvoří hadrony JETSET stabilní částice dávají odezvu v detektoru 88

89 Generátory MC generátor končí na úrovni souboru stabilních částic pro každou částici známe 4-vektor impulsu pro všechny částice uchováváme informaci matka/dcera partonový stav = partonová úroveň na úrovni stabilních částic = hadronová úroveň každý experiment používá simulaci detektoru: popis a umístění všeho materiálu v detektoru! 89

90 Simulace detektoru (1) program simulace (GEANT,FLUKA) používá výstup z generátoru (4-impulsy) a simuluje v objemu detektoru: - ionizaci částic v dráhovém detektoru -rozdělení energie v kalorimetru - rozpady částic/vyzáření konečný výstup jsou hrubá data: - náboj měřený na každém drátu dráh.detektoru - elektrický puls na každé kalorimetrické anodě/pmt MC simulovaná data mají teď přesně stejný formát jako skutečná hrubá data nyní projdou MC hrubá data přesně stejnými rekonstrukčními programy jako skutečná data. Výstup je ve formě použitelné pro analýzu. 90

91 Simulace detektoru () výsledkem jsou úplně simulovaná data s úplnou informací o vložených fyzikálních procesech detektorová simulace je velmi CPU náročná, protože bere v úvahu např. - časově závislou simulaci šumů v detektoru - mapu momentálně mrtvých kanálů - atd. je třeba být opatrný MC není skutečnost!!!! bugy,chyby, není kompletní,není přesné... MC obsahuje mnoho volných parametrů... simulace může být špatná, neznámé problémy s detektorem... atd.atd... 91

92 Význam MC generátorů 1. design a optimalizace detektoru pro fyzikální problém, který chceme studovat (pozadí, účinný průřez...). pokud nejsou ještě data testování programů rekonstrukce a analýzy 3. data už jsou: strategie analýzy a optimalizace cutů (řezů) s pomocí MC (unfolding) můžeme srovnat výsledky různých experimentů nezávisle na jejich uspořádání a použitých detektorech srovnání dat s existující teorií (odchylky nová fyzika?) 9

93 Závěr To je jen jednoduchý úvod do teorie detekce a seznámení s některými detektory. Pokud budete skutečně pracovat s nějakým detektorem, budete muset vědět o mnoho víc