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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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Lezione 18Lezione 18 Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
(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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Lezione 18Lezione 18 Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
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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Lezione 18Lezione 18 Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
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Lezione 18Lezione 18 Identificazione di particelleIdentificazione di particelle
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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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
DetectorDetector
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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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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Lezione 18Lezione 18 Contatori a radiazione di transizione (TRD)Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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 %