Cherenkov counters. 1. Principle. 2. Radiators. 3. Threshold counters. 4. Differential counters. 5. RICH - Ring Image Cherenkov

Transkript

1 Cherenkov counters 1. Principle 2. Radiators 3. Threshold counters 4. Differential counters 5. RICH - Ring Image Cherenkov 6. Application of Cherenkov counters: experiments DIRAC, DELPHI, Super Kamiokande, IceCube, MAGIC, Pierre Auger Observatory 1

2 1. Principle - particle identification, i.e. determination of particle types wrt. particle mass - measurement energy e.g. lead glass calorimeters 2

3 Princip: částice excituje atomy v prostředí, které se polarizují, tj vznikají dipóly a časově proměnné pole a tím vzniká elektromagnetické záření v < c/n vzniká symetrické pole, dipólová pole všech dipólů se vyruší v > c/n zbytková asymetrie, zbytkový dipólový moment vede k vyzařování v < c/n v > c/n 3

4 Cherenkov light in time t 2 n refractive index 1 in time t tc/n θ βct t 1 t 2 t 3 t 2 - t 1 = t 3 - t 2 t = t 3 - t 1 βn 1 tj. v c/n 4

5 Množství energie emitované na jednotce délky v jednotkovém intervalu frekvencí pro částici o náboji z r ω = 2πf = 2π/T= 2π c/λ Pro z=1: energy emitted per unit interval of the distance x and per unit interval of wave length λ r je poloměr elektronu electron radius Počet emitovaných fotonů r = e 2 /(4π ε 0 m e c 2 ) α = e 2 / (4π ε 0 ħc) Number of emitted photons 1 λ 2 n = n(λ) sin 2 θ 5

6 Celkový počet fotonů emitovaných na jednotce délky Total number of photons emitted per length unit Ex. Př. λ roentgen region n(λ) 1 Čerenkovské záření nemůže být emitováno λ < > nm - ideální pro fotokatodu z SbCs de/dx = 1180 sin 2 θ [ ev/cm ], dn/dx= 390 sin 2 θ [ N γ / cm ] β=1, radiator water n=1.33, Nechť β=1, prostředí voda n=1.33 => θ=41.2 o Cherenkov rad. cannot be emitted de/dx 513 ev/cm dn/dx 170 N γ /cm << než ionizační ztráty (de/dx) ion << světelný výstup ze scintilátoru, (100x ) light output from a scintillator 6

7 Cherenkov counters are used mainly for the particle identification, i.e. for the determination of particle masses Používají se hlavně pro identifikaci částic, tj. pro stanovení hmotnosti částic Hybnost se určí např. v dráhovém detektoru β se určí v čerenkovském počítači momentum measured in a tracker β measured in a Cherenkov counter counter types: Typy počítačů: threshold, differential prahové, diferenciální DISC, RICH β t c Threshold speed, threshold momentum prahová hybnost threshold momentum Voda n=1.33 Plynný vodík n= Gasseous H e - π protony 0.63 MeV MeV GeV 62.9 MeV 17.2 GeV GeV 7

8 2. Radiators kapalné n ~ 1 3, liquid plynné n-1 ~ 10-3 až 10-5 gaseous Si-aerogel N(SiO 2 ) + 2N (H 2 O) n ~1.025 až Transparentní, nesmí produkovat scintilační záření transparent, no scintillation light produced Malá hustota, malé Z, ionizační ztráty co nejmenší low density, small Z, small ionization losses n (radiator)~ n(oil) ~ n(window of photomultiplayer) úhel dopadu na fotokatodu ~ 30 o => 50% světla se odrazí Počet fotoelektronů z fotonásobiče na jednotku délky radiátoru: ε c účinnost sběru fotonů k fotokatodě, S (λ) odezva fotonásobiče efficiency of photon collection to a photocathode, photomultiplier response N e = N 0 L sin 2 θ N 0 obsahuje všechny účinnosti a konstanty, L délka radiátoru contains all other efficiencies and constants, L radiator length Number of photoelectron from a PM per unit length of a radiator

9 Gasseous radiators používají se hlavně pro částice s β 0.99 used mainly for particles with β 0.99 Index lomu : Refract. index n 1 => n 1 = K M / ρ M= V ρ, V volume, ρ density, K koeficient PV= RT, P pressure, T temperature, M/ρ = RT/P, => n-1 = (n 0-1) P/P 0 P 0, T 0 reference pressure and temperature Položíme η=n-1, potom => η = η 0 P/P 0 9

10 3. Prahové počítače Threshold counters Particle momenta are known, all particle with p > p t produced Ch. light 10

11 threshold counters with gaseous radiators express sin θ as a function of P: sin 2 θ = 1 1/(β 2 n 2 ) Define k= (n 0-1)/ P 0, n = 1 + kp i.e. for pressure P increases threshold p t decreases Pressure increases => higher intensity of Cherenkov photons 11

12 i) momentum p is fixed, we want to distinguish 2 different particles Vyjádřit počet čerenkovských fotonů N, resp. počet fototoelektronů N e jako funkci hmotností dvou částic, které mají stejnou hybnost express N,resp. number of photoelectrons N e as a funtion of particle masses ii) Detection efficiency, particle mass is fixed Vyjádřit detekční účinnost jako funkci hybnosti částice p a prahové hybnosti p t express the efficiency as a function of p a p t iii) Resolution at the threshold, Vyjádřit N e jako funkci rozlišení Δβ express N e as a function of the resolution Δβ iv) Influence of δ electrons, particle mass is fixed 12

13 i) Aby částice 1 emitovala čerenkovské záření musí m 1 < m 2. Nechť emituje fotony v intervalu ( λ 1, λ 2 ). Potom počet čerenkovských fotonů je Vyjádříme dn/dx jako funkci hmotností částic Např. pro vlnové délky mezi 400 nm a 700 nm je dn/dx = 490 sin 2 θ 1 13

14 Při velkých rychlostech je β 1, tj. P = γβmc γmc, a dále při zanedbání hmotností E pc.potom Protože p 1 = p 2 = p, dostaneme Počet fotoelektronů z čerenkovského záření radiátoru o délce L N e ε q ( λ) L ε q kvantová účinnost fotokatody Požadujeme-li N e, stanovíme minimální délku L a rovněž index lomu podle Masses: electron 0.5 MeV proton 935 MeV γ 2 2 n = mion 100 MeV kaon ~500 MeV γ pion ~ 150 MeV Př. Protony vs mezony K, hybnost 10 GeV, požadujeme N e =10, ε q = 0.25 protony na prahu, potom L=12.8 cm, n=

15 i) Distinguish two particles, masses m 1 and m 2, they have the same momenta, particle 2 is at threshold Particle 1 emits Cher. light λ within λ 1 and λ 2 for 400nm 700 nm Express dn/dx as a function of particle masses 1 15

16 at high speed β 1 P = γβmc γmc, E= m γ c 2 neglect masses E pc p 1 = p 2 = p Number of phototelectrons from a radiator of the length L quantum efficiency requesting a given N e L can be obtained, and n is given by Masses: electron 0.5 MeV mion 100 MeV pion ~ 150 MeV proton 935 MeV kaon ~500 MeV Ex. Protons vs K mesons, p=10 GeV, fixed N e =10, ε q = 0.25 protons at threshold L=12.8 cm, n=1.005 n = γ 2 2 γ

17 ii) Detekční účinnost v důsledku fluktuacích fotoelektronů částice o hmotnosti m a hybnosti p, prahová hybnost p t detection efficiency due to the fluctuation of photoelectrons ε = 1 - Pr(0, N e ), Pr je pravděpodobnost, že se na fotokatodě nevytvoří probability, that no electron is created at the photocat. žádný fotoelektron, N e je střední počet fotoelektronů Poissonovo rozdělení Pr(n, n) = e n n! n n n N e Pr(0, N e ) = e N e Vyjádříme N e jako funkci hybnosti p pro fixní hmotnost m express N e as a function of p for fixed value of mass m N e = N 0 L ( 1 β t 2 β 2 ) = N 0 L β t 2 [ 1 β t 2-1 β 2 ] = N 0 L β t 2 [ 1 γ t 2 β t 2-1 γ 2 β 2 ] βγ = p/mc => N e = N 0 L β t 2 c 2 m 2 [ 1 p t 2-1 p 2 ] Účinnost : ε = 1 - e N e 17

18 iii) Rozlišení na prahu resolution at threshold N e = N 0 L ( 1 β t 2 )= N β 2 0 L β2 2 β t β 2 Nechť rozlišení v β je Δβ. Potom na prahu β = β t + Δβ, zanedbáme (Δβ) 2 suppose resolution of β is Δβ β = β t + Δβ, neglect (Δβ) 2 N e = N 0 L 2 β β t +2 β => β β t = N e 2 N 0 L N e Známe počet fotoelektronů N e, známe L dostaneme rozlišení 18

19 iv) Influence of δ electrons, particle mass is fixed 19

20 Použití prahových detektorů hlavně k identifikace částic v primárních svazcích, Application of threshold detectors for the identification of particles in particle beams, particle momenta are the same are known with high precession, example: π-meson: koincidence C1 C2 C3 K-meson: C1 C2 (anti C3) proton: C1 (anti C2) (anti C3) 20

21 4. Differential Cherenkov counter, DISC Measurement of β i.e. of the angle θ Fofonásobič PM Částice particle θ f r Zrcadlo mirror diaphragm Pro malá r: tan θ r/f for small r: r = f tan θ rozlišení: Δr = f Δθ/ cos 2 θ resolution: Δθ = cos 2 θ Δr/f Vliv disperse: n=n(λ), cos θ = 1/(nβ) dispersion : d(cosθ) dθ = -dn/(β n 2 ) Δθ disp = Δn / (n tan θ ) 21

22 Schéma diferenciálního čerenkovského počítače Sketch of a differential Cherenkov counter 22

23 Diferenciální počítač využívající lomu světla. DICS using the refraction Pro určitý mezní úhel θ k dojde k totálnímu odrazu For an angle θ k total internal reflection.měří se úhlový interval od nejnižšího úhlu θ k θ k Measurement of θ between θ min and θ k Critical angle : law of refraction For θ > θ k total refraction, no light enter air light guide Cherenkov light for θ k : cos θ k = 1/(n β k ) = β k Resolution: Δβ/β up to 10 7 separation π/kaons up to 100 GeV J. Žáček 23

24 5. Ring Image Cherenkov (RICH) počítač Čerenkovské fotony zrcadlo Primární svazek Detektor fotonů 24

25 detector mirror Emitted particle target In the detector - Cherenkov rings radius r r f tan θ Measurement: radius r Resolution of mass m: depends on the resolution of p and of γ i.e of β = 1/(n cosθ ) 25

26 Small angles: Θ= r/f = 2r/(R) (Δm) 2 = ( m p )2 (Δp) 2 + ( m γ )2 (Δγ) 2 Δm m =? 26

27 RICH with 2 radiators liquid radiator gaseous radiator Čerenkovské kroužky Cherenkov rings 27

28 Detektor čerenkovského záření a detector of Cherenkov light tří souřadnícová driftová komora - three coordinate drift chamber fotony jsou konvertovány na elektrony photons are converted to electrons přes fotoefekt via photoefect (příměs plynu s velkým Z) (gas with high Z) Měří se doba mezi vznikem elektronů a jejich dopadem na anodu, což dává jednu souřadnici Pořadové číslo anodového drátu další udává souřadnici Dělení náboje na anodovém drátu dává souřadnici ve směru drátu 28

29 29

30 Čerenkovský kroužek z jednoho případu v interakci těžkého iontu Superpozice čerenkovských kroužků ze stovky případů 30

31 Rekonstrukce čerenkovských kroužků Čerenkovský kroužek od jednoho elektronu 31

32 Rozdělení poloměrů čerenkovských kroužků 32

33 Experiment DIRAC, CERN 33

34 Threshold Cerenkov 34

35 35

36 RIC aparatuře DELPHI, která byla umístěna na urychlovači LEP v CERN, kde se proti s y s pozitrony Collider subjaderné LEP (electron fyziky 36

37 Využití čerenkovského záření v detektoru 37

38 Čerenkovské záření v IceCube Neutrino Observatory 38

39 J. Žáček Experimentální metody jaderné a 39

40 40

41 Čerenkovské záření produkované MAGIC experiment kosmickým zářením v atmosféře Cherenkov radiation produced by cosmic gammas via electromagnetic showers in the atmosphere, La Palma, a Canary Island, energy of γ 50 GeV - 30 TeV 41

42 Auger Observatory n the vast plain known as the Pampa Amarilla (yellow prairie) in western Argentina detection of cosmic rays of highest energies which interact with atmospheric nuclei cosmic ray showers (hadro nic and electromagnetic) The resulting particle cascade, called "an extensive air shower, arrives at ground level with billions of energetic particles extending over an area as large as 10 square miles. The Auger Observatory is a "hybrid detector," employing two independent methods to detect and study high-energy cosmic rays. One technique detects high energy particles through their interaction with water placed in surface detector tanks Cherenkov light - the 1,600 water tanks, each 3,000-gallon (12,000 liter) tank, eparated from each of its neighbors by 1.5 kilometers. It covers an area of 3000 square kilometers Cherenkov light is measured by photomultiplier tubes mounted on the tanks. energy of primary cosmic particles sum of energies of energies of secondary particles penetrating water tanks sum of energies of Cherenkov light 42

43 43

44 Přechodové záření transition radiation Transition radiation detectors are used for the identification of electrons from hadrons in the momenta range ( ) GeV TR is emitted always if a particle crosses boundary between different media 44

45 45

46 46

47 TR radiator Žádný radiátor 47

48 Detektor : Xe proportional chamber, radiator: Li foils particle momenta 1.4 GeV DUMMY= no radiator 48

49 Background from primary particles which ionize the chamber gas Problem: δ electrons created by primary particles in the chamber gas mean ionization energy losses of primary particles Background reduction: - discriminators, i.e. detection of charges above Q threshold - search for anode wire clusters, a cluster several neighbouring wires with signals δ electrons smaller clusters ~2 wires cuts on the number of wires > 2 better separation of pions and electrons e/π separation up to 10 3 electron identification efficiency ~95 % 49

50 ATLAS TR tracker, LHC CERN Straw Xe-based mix Cross section view 4mm electrons 15 x15μm polyethylene foils Gas mixture : 70% Xe + 20% CF % CO 2 straw tube with 4mm diameter with a 0.03 mm diameter gold-plated tungsten wire in the center straws in Barrel, each straw 144 cm long, ends of straws are read out separately straws in both endcaps, each straw 39 cm long Precision measurement of ~ 0.16 mm 50

51 Přechodové záření 51

52 52

53 50 % energie je v oblasti energií fotonů nutný velký počet přechodů 53

54 úhel emise fotonů 1/γ 54

55 55

56 Klustr několik sousedících anodových drátu, které dají signál 56

57 57

58 Detekce přechodových fotonů v mnohodrátové komoře rozdělení registrovaného náboje od ionizačních elektronů a δ elektronů 58

59 energetické spektrum přechodového záření 59

60 Particle identification i. e. identification of particle masses 1. Cherenkov counters 2. Transition radiation counters 3. Time of flight method 4. Multiple measurement of ionization losses 60

61 3. Time of flight method detector particle Particle momentum is known Mass m? From the time of flight PM Express Δt as a function of particle masses Taylor expansion of the fraction 1 1+x = 1 x + x2 +.., x= - ( m 1 c 2 E 1 ) 2 61

62 c 2 L c Ex. Distinguish 2 particles if Δt = 4 σ t, (σ t time resolution of time measurement) σ t, = 300 ps. For p=1 GeV, pions vs kaons L=3 m needed 62

63 4. Multiple measurement of the ionization for particle with relativistic increase of de/dx measurement: in a drift chamber with many anode wires i.e. measurement of charges 63

64 64

65 Problem: Landau fluctuation Measurement of energy losses to an upper limit δ electrons are excluded From this measurement calculate mean losses Truncated mean e.g. from 40% of all possible measurements 65

66 Two methods: i) many measurements of de/dx, e.g. 100 times, resolution: for π mesons, K mesons, protons at 50 GeV Pressure increases resolution improves, but relativistic effect smaller ii) the second method: Landau distribution is the probability distribution - probability that a pion create a signal with the value x i, in the i th - measurement - Total probability after N measurements of a pion - Total probability after N measurements of a kaon Probability of the identification of a pion 66

67 x i ΔE i 5 measurement of energy losses P 1 pion P 2 (kaon) P (pion) 1 P (kaon) 1 67

68 Identifikace částic 68

69 69

70 70

71 71

72 72

73 73

74 74

75 75

76 76

77 77

78 78