Experimentální metody ve fyzice vysokých energií Alice Valkárová

Transkript

1 Experimentální metody ve fyzice vysokých energií Alice Valkárová 10/20/2004 1

2 Literatura o detektorech částic Knihy: C.Grupen, Particle detectors,cambridge University Press,1996 G.Knoll, Radiation Detection and Measurement, 3 rd Edition, 2000 V.R.Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, 2nd Edition,Springer, 1994 R.S.Gilmore, Single Particle Detection and Measurement,Taylor, 1992 K.Kleinknecht, Detektoren fuer Teilchenstrahlung, 3rd Edit.Teubner, 1992 R.C.Fernow,Introduction to Experimental Particle Physics R.K.Bock et al,data Analysis Techniques for High Energy Physics Experiments F.Sauli, Instrumentation in High Energy Physics,World Scientific, /20/2004 2

3 Přehledné články a ostatní Experimental Techniques in High Energy Physics, T.Ferbel (editor), World Scientific,1992 Články v Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. Particle Data Book (Phys.Rev.D,Vol.54, 1996) R.Bock,A. Vasilescu, Particle Data Briefbook Databáze publikací,autorů,citací: QSPIRES: Web of science: Detektory slovník: 10/20/2004 3

4 Úvod Obvykle vidíme jen konečné produkty interakce, nikoliv interakci samotnou Abychom rekonstruovali mechanismus reakce a vlastnosti produkovaných částic, vyžadujeme maximum informací o konečných produktech! 10/20/2004 4

5 Důležité hmotnosti/energie 1 MeV 1 TeV 1 GeV M µ =105 MeV Mp,n =1GeV M e =0.5 MeV M Z =91 GeV E LHC =14 TeV M π =140 MeV Jednotky délek: 1µm (10-6 m), na př. prostorové rozlišení detektorů 1 nm (10-9 m), vlnová délka zeleného světla λ=500 nm 1 A (10 10 m), rozměr atomu Bereme: ħ=c=1 1 fm = 1 fermi (10-15 m), rozměr protonu Jednotky času: 1µs (10-6 s), elektron driftuje v plynu asi 5 cm 1 ns (10-9 s), relativistický elektron putuje asi 30 cm 1 ps (10-12 s), střední doba života B mezonu 2 2 E p + = r velmi užitečný vztah: ħc 200 MeV fm E= hc/λ = 2πħc/λ 1240/λ m 2 [E]=[p]=[m]=1eV 10/20/2004 5

6 10/20/2004 6

7 Účinný průřez N σ = N L 10/20/2004 7

8 Účinný průřez pevný terč N scat (θ) N inc 10/20/2004 8

9 Detektory a jejich systémy ve FVE Nejdůležitější jsou fyzikální cíle neexistuje totiž universální detektor na všechno... Experimenty s pevným terčem: těží z Lorentzovy transformace, všechno letí dopředu, ušetří se na detektorech nejsou problémy s luminozitou (velký počet atomů pevného terčíku) možnost použít jako svazek i nestabilní částice (na př.π mezony) rozptyl na stacionárním terčíku je nevýhodný z hlediska energie interakce Experimenty se vstřícnými svazky: velmi efektivní z hlediska energie mnohem větší energie pro interakci musí se pokrýt celá oblast detektory (4π detekce) problémy luminosity (intenzity a průřezu svazků) nemožnost použít nestabilní částice (zatím jen protony a elektrony) 10/20/2004 9

10 Vstřícné svazky? Argument energie je nakonec nejpodstatnější. Když porovnáme težišťovou energii urychlovače s pevným terčem a vstřícnými svazky jaká by musela být ekvivalentní energie v laboratorní soustavě kdybychom místo urychlovače LHC (CERN) chtěli mít urychlovač s experimenty s pevným terčem? LHC 7+7 TeV Urychlovač s pevným terčem by musel mít energii TeV, Na jeho konstrukci by nestačily rozměry zeměkoule. Experimenty ve FVE jsou většinou experimenty na vstřícných svazcích,přesto existuje i široká oblast,kde se uplatňují detektory pro pevné terče neutrinové experimenty, experimenty s kosmickým zářením atd. 10/20/

11 Luminosita (1) e+e- vstřícné svazky, účinný průřez σ [cm 2 ] obvod O L, každý balík N částic, 2 interakční oblasti N(příp./s) = σ L zanedbáme-li délku balíku y x n b balíků L = n b fn 2 /A L = n b fn 2 /(4πσ x σ y ) f = c/o L n ir interakčních oblastí L = n ir n b fn 2 /(4πσ x σ y ) Luminosita [1/cm 2 s] 1 balík L = f N 2 /A obvod collideru příčná plocha balíku frekvence [Hz] Rozdělení je Gaussovo s parametry σ x,σ y 10/20/

12 Luminosita (2) větší luminosita větší toky částic větší luminosita menší příčný rozměr svazků Integrální luminosita L = IL dt [nb -1 ] 1 nb -1 = cm -2 V r na urychlovači HERA luminosita L cm -2 s -1, integrální luminosita/den L=0.86 pb -1 10/20/

13 Měření luminosity (1) Dvě nezávislá měření: z technických parametrů svazků na urychlovači (viz uvedená formule) přímo daleko přesněji, s použitím známého nebo spočitatelného s velkou přesností účinného průřezu σ ref Různé experimenty různé procesy pro určení luminosity LEP: používá Bhabhův rozptyl reakci e+e- e+e- má velký účinný průřez velmi dobře známý QED proces všechny účinné průřezy na LEPu normalizované na σ ref neurčitost je 0.1 % 10/20/

14 Měření luminosity (2) HERA: používá Bethe-Heitlerův proces e-+p e-+p+γ spočitatelný proces v rámci QED velký účinný průřez měření s velkou efektivitou typická nepřesnost 1% Tevatron: používá totální účinný průřez procesu pp nedá se spočítat s pomocí QCD srovnání s předchozím měřením např. v CERN neurčitost až 7% LHC : pravděpodobně totéž jako na Tevatronu 10/20/

15 Měření luminosity H1 experiment Pb stínění proti synchrotr.záření 10/20/

16 Měření luminosity - H1 experiment Elektron měřený v centrálním detektoru LAr kalorimetru Elektron měřený v zadní části detektoru kalorimetru SPACAL Elektron měřený v elektronovém taggeru Foton měřený ve fotonovém detektoru Elektronový tagger a fotonový detektor jsou na pohyblivých platformách, přesnost měření jejich pozice je 10µm 10/20/

17 Ideální detektor Mnoho různých fyzikálních procesů hlavně elektromagnetické Nakonec vždy pozorujeme: ionizaci a excitaci látky 10/20/

18 Měření účinného průřezu (1) Je snadné počítáme jenom případy...? NE!!!! Potřebujeme opravit počet pozorovaných případů na počet případů, které bychom měli v případě perfektního detektoru Co to je perfektní detektor? nemá díry/mezery (holes/cracks) má perfektní efektivitu pro měření částic má perfektní rozlišení žádné případy pozadí Opravujeme s pomocí Monte Carlo programů, když bereme v úvahu veškeré informace o fyzice procesu a detektoru 10/20/

19 Měření účinného průřezu (2) Modifikovaný výraz (vstřícné svazky): σ = N obs Lε A N cc b / g Br N obs je počet pozorovaných případů N b/g je počet případů pozadí A cc je akceptance ε je efektivita Br je větvící poměr daného procesu L - luminozita σ Nejjednodušší určení účinného průřezu bylo v bublinových komorách: = σ loss + 1 ρ N A l ln N 0 N 0 N obs Žádné opravy na akceptanci,efektivitu. σ loss jsou ztráty na krátké dráhy ρ hustota prostředí N A Avogadrovo číslo N obs počet pozorovaných interakcí N₀ počet drah na počátku komory l délka prohlížené oblasti 10/20/

20 Detektorové systémy 10/20/

21 Koncept detektoru 10/20/

22 10/20/

23 Magnetická pole Měření impulsu ze zakřivení dráhy v magnetickém poli [ GeV / c] = 0. 3 R[ m] B[ T ] p T Většina experimentů používá magnetické pole (ne všechny)! 10/20/

24 Konfigurace mg.polí (1) DIPÓL- pole kolmé na svazky, používá se pro pp (ne e+e- kvůli synchr.záření), velmi vhodné pro detekci částic letících dopředu (i pro pevné terče). Odchylka svazku musí být kompenzována dalším magnetem (UA1 SPS CERN) Rozdělený dipól SPLIT FIELD. Není třeba Obě konfigurace flexibilní pro výměnu zařízení. Obě konfigurace nevhodné pro měření částic letícících kolmo ke svazku. 10/20/

25 Konfigurace mg.polí (2) SOLENOID pole rovnoběžné se svazky, jen slabé kompenzační magnety, pro pp, e+e-, nenarušuje měření částic kolmých ke svazku. Jen limitovaný prostor uvnitř! (H1,ZEUS,experimenty na LEPu...) TOROID siločáry tvoří kruhy kolem svazku, částice s velkým příčným impulsem musí projít cívkou než se dostanou do mg.pole, pole není homogenní, používá se hlavně pro miony (MARK J (PETRA-DESY), ATLAS (LHC)) 10/20/

26 Konfigurace mg.polí (3) AXIÁLNÍ POLE pole rovnoběžné se svazky, je to modifikace solenoidu s lepším přístupem AFS (ISR-CERN) Některá experimentální zařízení nemají ŽÁDNÉ magnetické pole!!! (UA2 (SPS CERN), Crystal Ball (BNL), HERMES (DESY) a samozřejmě např. Superkamiokande pro detekci neutrin.) 10/20/