Lezione 18 Identificazione di particelle

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Lezione 18Lezione 18 Identificazione di particelleIdentificazione di particelle

L’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: /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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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)

con L=3m e separazione di 4 separazione /k fino a 1 GeV/c. (t = 300 ps)

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Esempio: CERN NA49 (Ioni Pesanti)detail of the grid

Small, but thick scint.8 x 3.3 x 2.3 cm Long scint. (48 or 130 cm),

read out on both sides

TOF requires fast detectors (plastic scintillator, gaseous detectors), approporiate signal processing (constant fraction discrimination), corrections + continuous stability monitoring.

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Tre

l. =

T /

T

L = 15 m

System resolution of the tile stack

From conversion in scintillators

CERN NA49 (Ioni Pesanti)

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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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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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(B. Adeva et al., NIM A 290 (1990) 115)1 wire 4 wiresL: most likely

energy lossA: average

energy loss

(M. Aderholz, NIM A 118 (1974), 419)

Don’t cut the track into too many slices ! There is an optimum for each total detector length L.

• Chose gas with high specific ionization• Divide detector length L in N gaps of thickness T.• Sample dE/dx N times

calcolare media troncata,cioè ignora i campioni con conteggi troppo elevati (e.g. 40%)

aumentare la pressione del gas,ma attenzione effetto densità.

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Esempio : TPC di ALEPH

Gas: Ar/CH4 90/10

Npunti=338, spaziatura dei fili 4mm

Risoluzione di dE/dx: 4.5% per i Bhabha, 5% per i MIP.

log scale !

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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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Conteggio dei clusterConteggio dei cluster

Vantaggio: i cluster fluttuano alla PoissonVantaggio: i cluster fluttuano alla Poisson

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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)

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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zona

di f

orm

azio

ne

Nef

fParte della radiazione è riassorbita il numero di fogli è limitato

basso Z minore riassorbimento. (fogli di litio o berillio)

Spessore dei fogli di CH2 ~20 m (zona di formazione). Le gap di aria devono essere ~ 1mm. Se i fogli e le gap sono << della lunghezza di formazione segnale fortemente diminuito per effetti di interferenza

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DetectorDetector

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Una possibile geometria (schematica)

Possibili 2 modi di lettura: Metodo della carica. Si integra tutta la carica raccolta per TR e dE/dx ( al di sopra di

una certa soglia). Si applicano dei tagli per le particelle con solo dE/dx. limitato dalle code di Landau.( metodo principalmente usato)

Conteggio dei cluster. Si identificano i singoli cluster di ionizzazione primaria. Si contano i cluster al di sopra di una certa soglia. Minor fondo (il numero di cluster è distribuito alla Poisson), ma serve elettronica veloce e geometria speciale delle camere

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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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