1 Identificazione di particelle Identificazione di particelle Lidentificazione di particelle è un aspetto importante negli esperimenti di fisica delle

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Identificazione di particelleIdentificazione di particelleL’identificazione di particelle è un aspetto importante negli esperimenti di fisica delle alte energie.

Alcune importanti quantità fisiche sono accessibili soltanto con una sofisticata identificazione del tipo di particella: fisica del B, violazione di CP, decadimenti esclusivi e rari.

Generalmente si vuole discriminare: p/K, K/p, e/, /0 …..

Il metodo di identificazione usato dipende fortemente dalle energie implicate.

A seconda del particolare processo di fisica sotto studio bisogna ottimizzare o l’efficienza o la mis-identificazione:

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Identificazione di particelleIdentificazione di particelle

DELPHIWhy particle ID ?

1 K + 2

in final state

Un decadimento del B

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Who is who ?

RICH: contatori Cerenkov (misura di )

dE/dx : misura di

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Per identificare una particella carica (massa e carica) dobbiamo usare 2 diversi dispositivi, in quanto dobbiamo determinare 2 quantità.

L’impulso della particella è, in generale, determinato dalla deflessione della particella in un campo magnetico.

Noto l’impulso e la carica devo eseguire un’altra misura per determinare la massa.

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Metodi:

Tempo di voloTempo di volo

dE/dxdE/dx

Radiazione di transizioneRadiazione di transizione

ČČerenkoverenkov

p

p

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Tempo di volo (TOF).Tempo di volo (TOF).Necessaria un’ottima risoluzione temporale ( 300ps sono facilmente raggiungibili con dei contatori a scintillazione).

Se 2 particelle di massa m1 ed m2 hanno lo stesso impulso e percorrono la stessa distanza L la differenza di tempo t1-t2=t sarà :

Si sono assunte particelle relativistiche ( E~pc ovvero mc2<<pc) e si è sviluppato in serie fermandosi al primo ordine.

start stop

22

212

2222

2221

21 2/1/1

11mm

p

Lcpcmpcm

c

L

c

Lt

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usando scala logaritmica:

2

22

21 2

lnlnlnp

Lcmmt

t for L = 1 m di lunghezza di traccia

t = 300 ps/K separation up to 1 GeV/c (1)

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CERN NA49 (Ioni Pesanti)

Ma NA49 ha anche delle TPC identificazione di particelle anche con dE/dx

NA49 combined particle ID: TOF + dE/dx (TPC)

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• Uno dei più sofisticati rivelatori a ionizzazione è la Time Projection Chamber o TPC. Questo dispositivo è un rivelatore di tracce tridimensionale capace di fornire informazioni su diversi punti della traccia della particella insieme ad informazioni sulla perdita specifica di energia, dE/dx.

TPC

Le particelle passano attraverso il cilindro producendo elettroni liberi che derivano verso i terminali per essere poi rivelati dai fili-anodo. Una coordinata è data dalla posizione del filo colpito, mentre una seconda è ottenuta dal segnale indotto sui pad-catodo. La terza coordinata è invece data dal tempo di deriva degli elettroni di ionizzazione lungo l'asse del cilindro.

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Esempio : TPC di ALEPH

Gas: Ar/CH4 90/10

Npunti=338, spaziatura dei fili 4mm

log scale !

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dE/dxdE/dx

222

ln1

dx

dE

cmp 0 Con misure simultanee di p e dE/dx trovo la massa della particella e quindi identifico il tipo di particella.

Average energy loss for e,,,K,p in 80/20 Ar/CH4 (NTP)(J.N. Marx, Physics today, Oct.78)

/K separation (2) requires a dE/dx resolution of < 5%

e

p

K

p

K

p

K

Grosse fluttuazioni+ Grosse fluttuazioni+

code di Landaucode di Landau

La misura si esegue in un gas per ridurre l’effetto densità.

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dE/dx puo’ anche essere misurato con apparati al silicio

Esempio: Microvertice di DELPHI (4x300 m di silici)

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Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)

A transition radiation detector (TRD) is a particle detector utilizing the γ-dependent threshold of transition radiation in a stratified material.

It contains many layers of materials with different indices of refraction.

At each interface between materials, the probability of transition radiation increases with the relativistic gamma factor. Thus particles with large γ give off many photons, and small γ give off few.

For a given energy, this allows a discrimination between a lighter particle (which has a high γ and therefore radiates) and a heavier particle (which has a low γ and radiates much less).

http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_detector

http://en.wikipedia.org/wiki/Index_of_refraction

http://en.wikipedia.org/wiki/Transition_radiation

http://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz_factor

http://en.wikipedia.org/wiki/Photons

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Ricordiamo:

Energia irraggiata per ogni superficie di separazione medium/vacuum

radiators) (plastic eV20 frequency

plasma

3

1

0

2

pe

ep

p

m

eN

WW

Numero di fotoni emessi per superficie di separazione è piccolo

137

1

W

N ph

Servono molte superfici di separazione costruire una pila di fogli separati da un sottile strato di aria

I raggi X sono emessi con un massimo a piccoli angoli1/la radiazionesta vicino alla traccia

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Spettro di emissione della radiazione

Energia tipica p 41 Fotoni di alcuni KeV

• Spettro di emissione (simulato) di un foglio di CH2

(Dai 3 ai 30 KeV)

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Contatori a radiazione di transizioneContatori a radiazione di transizione Radiatore:Radiatore:

il meglio è il Litio, ma fortemente igroscopico

Gruppi di fogli di CH2 sono i preferiti (basso costo, sicuri, facili da fare)

Materiale a basso Z piccolo riassorbimento (≈ Z5 )

R D R D R D

sandwich of radiator stacks and detectors

minimize re-absorption

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ATLAS Transition Radiation Tracker

A prototype

endcap “wheel”.

X-ray detector:straw tubes (4mm)

(in total ca.

400.000 !)

Xe based gas

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TRT protoype performance

Pion fake rate

at 90% electron

detection efficiency:

90 = 1.58 %

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