Física de Partículas. Curso para profesores de Bachillerato. Jesús Puerta Pelayo CIEMAT- Madrid Enero/Febrero 2015

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1 Física de Partículas Curso para profesores de Bachillerato Jesús Puerta Pelayo CIEMAT- Madrid Enero/Febrero 2015

2 Estructura del curso Sesión 1 (15/Enero/2015) EL MODELO ESTÁNDAR, INTRODUCCIÓN HISTÓRICA Conceptos básicos Desarrollo histórico del ME Presente & futuro Sesión 2 (22/Enero/2015) INSTRUMENTACIÓN Aceleradores LHC Detectores CMS Medidas en CMS Sesión 3 (10/Marzo/2015) ANÁLISIS DE DATOS Fundamentos Ejemplo Sesión 4 (24/Marzo/2015) RESULTADOS DE CMS & FUTURO Resultados de CMS Incógnitas Teorías más allá del ME Futuros aceleradores

3 Sesión 2

4 Índice 2.1: Aceleradores de partículas Introducción Fundamentos 2.2: El Large Hadron Collider (LHC) Diseño e historia Componentes Parámetros y operación Los experimentos de LHC 2.3: Física de detectores Tipos de detectores Detectores gaseosos Calorímetros 2.4: El experimento Compact Muon Solenoid (CMS) Diseño, historia y construcción Subdetectores Sistemas de adquisición de datos y disparo 4

5 2.1. Aceleradores de partículas 5

6 Qué es un acelerador? Los aceleradores son máquinas encargadas de controlar y acelerar haces de partículas por medio de campos E y B, para usar estas partículas como proyectiles. La energía cinética de las partículas se utiliza para explorar regímenes de alta energía. Energía máxima LHC Los colisionadores son una de las principales herramientas con las que contamos para experimentar en física de partículas Los colisionadores repiten lo que la Naturaleza nos proporciona, pero de forma controlada, con mayor intensidad y mayor frecuencia Existen diversos aceleradores naturales Fuentes radiactivas producen partículas de energías máximas del orden de algunos millones de electronvoltios (MeV). Las partículas procedentes de la radiación cósmica alcanzan energías ~1,000,000,000 x LHC pero el flujo es demasiado bajo como para utilizarlas como un instrumento de estudio. 6

7 Aceleradores para investigar altas energías Para estudiar escalas de tamaño subatómicas necesitamos utilizar energías más altas El descubrimiento de nuevas partículas pasa por la capacidad de contar con energía suficiente para poder crearlas. Diversas teorías más allá del Modelo Estándar (como la SUSY), predicen un zoo de partículas en el rango de masa entre pocos cientos de GeV y algunos TeV. Es ése el rango a estudiar Por supuesto, es posible que nos encontremos con algunas sorpresas. Cuanto menos frecuente sea un proceso, más veces tendremos que repetir el experimento para observarlo (= más colisiones, más luminosidad). Los colisionadores permiten diseñar experimentos específico de determinadas partículas: Eligiendo el tipo y sabor de las partículas en juego (proyectil / blanco) e -, e +, γ, p, anti-p, iones. Espalación: n, π/k, μ. Diferentes sabores de ν procedentes de aceleradores y reactores nucleares 7

8 Para qué se utilizan? Sólo ~1% de los > aceleradores existentes se usan para investigación en altas energías (Mayoría: hospitales, generación de radioisótopos) 8

9 Breve historia de los aceleradores A partir de los años 50, los primeros aceleradores permitieron «crear» y estudiar partículas en el laboratorio (hasta entonces, cósmicos) Impresionante avance en física experimental de partículas. Nueva pléyade de partículas (quarks, bosones EW, etc.) La caracterización de las interacciones fundamentales ayudó a establecer el Modelo Estándar hasta la escala de 10 2 GeV Del mismo modo, se evidenciaron las debilidades del Modelo (violación de CP, oscilaciones y masas de neutrinos, ruptura de simetría ) Desarrollo tecnológico (Electrostático, RF, superconductores ) y numerosísimos spin-offs (de ahí los >26000 aceleradores). Tras cada escalón en la gráfica se esconde un paso adelante desde el punto de vista tecnológico y científico. Algunos de los aceleradores más recientes(<30 años) Tevatron HERA SLC LEP SPPS RHIC - KEKB Límite actual: Escala del TeV en LHC (y Tevatron hasta hace poco) Nueva física puede estar a la vuelta de la esquina Un factor ~10 cada 15 años 9

10 RHIC Brookhaven (Nueva York, EEUU) SLAC Stanford (California, EEUU) Tevatron Fermilab (Chicago, EEUU) HERA DESY (Hamburgo, Alemania) KEKB - KEK (Tsukuba, Japón) 10

11 Tipos de aceleradores (investigación) Por tipo de experimento: Blanco fijo / Colisionadores Por forma / estructura Lineal / Circular Por tipo de partícula Leptónico / Hadrónico / Iones 11

12 Por tipo de experimento Blanco fijo Colisionador p T 0: parte de la energía, energía cinética de las partículas resultantes. Pro: Estructura del detector más simple Con: Energía limitada p T = 0: toda la energía disponible para crear nuevas partículas Pros: Más energía Cons: Topología del detector más complicada. Requiere 2 aceleradores FT: E beam = 7 TeV E CM = 0.12 TeV LHC: E beam1 = E beam2 = 7 TeV E CM = 14 TeV 12

13 LEPTÓNICO Por tipo de partícula La partícula justa para el objetivo adecuado HADRÓNICO La energía de ambos haces se transfiere totalmente a la colisión Ecoll= Eb1+ Eb2= 2Eb Pros: la energía se puede ajustar con precisión para explorar una región de masas (MEDIDAS DE PRECISIÓN, p.ej. LEP). Uso de la conservación de energía/momento para encontrar partículas invisibles Cons: a partir de una cierta energía, el uso de electrones es poco práctico por pérdidas radiativas + COLISIONADORES DE IONES Estudios del QGP La energía del haz se aplica a los constituyentes del protón y es sólo uno de los partones del protón el que interacciona con el otro: Ecoll < 2Eb Pros: con el mismo haz es posible explorar un rango de energías muy amplio (MÁQUINAS PARA DESCUBRIMIENTOS, p.ej., LHC) Cons: la energía disponible para la colisión energía del haz. Sólo una fracción disponible (indefinida en cada colisión). El resto se traduce en fragmentos de protones (follón!) La frontera de la energía históricamente ha sido sobrepasada por máquinas hadrónicas (protón, antiprotón) 13

14 Pérdida de energía: radiación sincrotrón Cuando la trayectoria de una partícula cargada se deflecta, emite radiación sincrotrón Radio de curvatura P e c 2 E m 4 Un electrón irradia unas veces más que un protón de la misma energía Protones: Radiación sincrotrón no afecta la cinemática del haz sustancialmente. Electrones: Más allá de unos pocos MeV, la radiación sincrotrón cobra importancia, y a partir de unos pocos GeV domina la cinemática. Para compensar las pérdidas, el radio debe subir con el CUADRADO de la energía (B proporcional a 1/E anillos de aceleración enormes) Efectos positivos: - El haz se uniformiza en todas las direcciones - Fuente de luz, FELs, etc Efectos negativos: - Calentamiento del tubo del haz - Mayor interacción entre partículas del haz - Las pérdidas suponen el límite fundamental de aceleradores circulares 14

15 Por forma Colisionadores lineales: línea recta, sin trayectoria de curvatura. Se requiere un gradiente de aceleración muy alto. No hay energía perdida en forma de radiación sincrotrón. Sin embargo, el limitado gradiente de aceleración exige que estas máquinas sean muy largas (y caras). Colisionadores circulares: Imanes para curvar las trayectorias. La recirculación de haces permite un menor gradiente de las cavidades aceleradoras. En colisionadores circulares, el acelerador debe compensar y restaurar las pérdidas de energía provocadas por la radiación sincrotrón. SLAC National Accelerator Laboratory's 3-km-long tunnel Próxima generación de colisionadores electrón-positrón de alta energía (CLIC, ILC) serán lineales. 15

16 Física de aceleradores: principios básicos Las partículas cargadas son aceleradas, guiadas and confinadas por medio de campos electromagnéticos: Un acelerador está formado por una secuencia de: Cavidades aceleradoras (Campos eléctricos) Imanes para guiar, focalizar y controlar los haces: Curvatura: Dipolos Focalización: Cuadrupolos Aberración cromática: Sextupolos 16

17 Aceleración electrostática Una partícula libre cargada en un campo eléctrico uniforme se verá acelerada por dicho campo. Un electronvoltio (ev) es la cantidad de energía adquirida por un electrón moviéndose a través de una diferecia de potencial de 1 V: 1 ev = 1.602x10-19 Julios K eed ev 0 V 1 V El acelerador de Van der Graaf de 4 MeV en el PSI. e - E = 1 ev Los primeros aceleradores usaban campos eléctricos estáticos El campo (y por tanto la energía adquirida) estan limitados a pocos MeV antes de su ruptura eléctrica. 17

18 Aceleración por radiofrecuencia (RF) Los aceleradores de alta energía típicamente utilizan cadenas de estructuras que generan un campo electrico que varía con el tiempo (Aceleración por radiofrecuencia, cavidades RF) en la dirección del haz cavidad 0 cavidad1 cavidad N E E( t) E sin t 0 0 E E( t) E sin t 0 1 E E t) E sin t ( 0 N La polaridad del campo será tal que tendrá signo positivo (aceleración) la mitad del tiempo, siendo negativo (deceleración) la otra mitad. Por este motivo, el haz debe estar organizado en paquetes de partículas con un espaciado proporcional a la fase de oscilación del campo. La fase de RF se fija de tal modo que los paquetes del haz experimentaran una aceleración similar, contribuyendo así a su compactificación. Tevatron 53 MHz, LHC 400 MHz. En sincrotrones los campos se suben de forma sincronizada con las energías adquiridas. 18

19 Ejemplos de estructuras de RF 37->53MHz Cavidad del Fermilab Booster Tubo de deriva del Fermilab Linac (200MHz): campos oscilantes a lo largo de toda su extensión Prototipo de cavidad para ILC -cavity (1.3 GHz): el campo alterno varía en cada una de las celdas 19

20 Óptica básica: dipolos Imanes dipolares se utilizan para curvar el haz en máquinas con trayectorias circulares Cuanto mayor sea la energía de la partículas, más alto habrá de ser el campo magnético: p T = q r B 20

21 Cuadrupolos Dentro de un paquete, todas las partículas tienen la misma carga, por lo que la repulsión eléctrica tiende a separarlas. Es necesario «enfocar» el haz: B y B x x y Una partícula positiva moviéndose perpendicularmente a la pantalla experimentará un empuje de enfoque convergente hacia la posición nominal. Cuadrupolos alternos: FODO B x ( x) l ( B ) B lx ( B ) f ( B ) B' l 21

22 2.2. El Large Hadron Collider 22

23 Ginebra LHCb ATLAS CERN CMS ALICE El Large Hadron Collider (LHC) es en la actualidad el acelerador de partículas más potente. Sincrotrón Circular - Colisionador hadrónico (p-p) & iones (Pb - Pb) Cavidades aceleradoras de RF & Imanes SUPERCONDUCTORES Instalado en el túnel de 27km del antiguo acelerador LEP (~100m profundidad) en el CERN (LEP = Colisionador Large Electron Positron) 23

24 Breve historia de LHC El consejo del CERN da luz verde a LHC LHC Technical Design Report LEP finaliza su actividad Entrega del primer dipolo Se completa la ingeniería civil (cavernas) Primer dipolo instalado en el túnel Entrega del último dipolo Enfriado del primer sector Todas las interconexiones realizadas Acelerador completo Último acceso público Enfriado completo y bajo vacío 10/Sep: Primer haz en circulación 19/Sep: Accidente en unión de imanes: >1 año parada. Haces de nuevo en circulación 23/Nov: Primeras colisiones a 450 GeV 30/Nov: Haces alcanzan 1.18 TeV. 30/Mar: Colisiones a 7 TeV en el CM. Comienza así el programa de investigación de LHC (7TeV y 8TeV) LHC proporcionó 6 fb -1 en 2011 y 23 fb -1 en 2012 a los experimentos Desde 2013, primera parada de larga duración (LS1) para mejora y mantenimiento 24

25 Requisitos para LHC Motivos de física tras el diseño de LHC: Explorar / Descubrir hasta el rango del TeV (Higgs / SUSY / ) En colisionadores hadrónicos: Altas secciones eficaces de producción enmascaradas por un número enorme de procesos de fondo: 10 9 interacciones pp inelasticas / s. Un sistema de discriminación eficiente es vital. La más alta luminosidad posible (colisiones/segundo) con un número manejable de sucesos de pileup (25 sucesos/cruce) con la mayor energía asumible: L = cm -2 s -1 (10 fb -1 /año) a E CM = 14 TeV Alto número de haces(2808) y protones por haz (1.15 x ) para conseguirlo 7 TeV por haz, campo en los dipolos 8.33 T Campo proporcionado por imanes superconductures 2 tubos de aceleración con dipolos acoplados permiten 2 anillos de aceleración en el mismo túnel 25

26 Cadena de aceleradores del CERN (no a escala) c Fuente de protones 0.87 c 0.3 c 26

27 Esquema de LHC LHC no es un círculo perfecto; está formado por ocho arcos de 2.45 km y ocho secciones rectas de 545 m. Cavidades RF Extracción haz Los arcos contienen los dipolos para curvar las trayectorias, con 154 dipolos por arco. Cada sección recta cumple una finalidad determinada, que determina su composición: Colisiones Inyección Aceleración Limpieza Extracción Colimadores 8 sectores independientes en cuanto a criogenia y alimentación Colimadores Inyección haz 1 Inyección haz km línea transf. 2.7 km línea transf. 27

28 Los arcos (dipolos) 23 celdas FODO en cada arco (106.9 m largo) Compuestas por dos semi-celdas de 53.45m de largo cada una Semicelda: 3 x 15 m crio-imanes dipolares (siguiente transparencia) 1 sección recta corta (unos 6m) compuesta por: Imanes cuadrupolares correctores Sextupolos para correcciones cromáticas 28

29 Superconductividad En los aceleradores que usan imanes convencionales, la energía máxima está limitada por la pérdida máxima de energía por disipación con la que se puede trabajar: P = I 2 R proporcional a B 2 El máximo valor eficiente de campo para CC con imanes convencionales ~1T Un LHC construido con esos imanes tendría el tamaño de Cataluña! Para colisionadores de más alta energía, es necesario emplear materiales superconductores con sus ventajas e inconvenientes Los imanes convencionales son Los imanes superconductores son simples y disipan energía de forma elementos muy complejos y almacenan natural (calor) una gran cantidad de energía 2 E B En un material superconductor se puede producir un quench (perdida de SC, disipando calor). Los QUENCHES son el mayor problema al que se puede enfrentar un acelerador superconductor Un sistema electrónico (QPS) protege el colisionador de quenches múltiples (>2) induciendo una pérdida de haz. 29

30 Dipolos El mayor reto tecnológico de LHC es la operación de los imanes de curvatura en los arcos: Dos aceleradores en uno: las 2 cavidades de protones se integran en el mismo dipolo. Campo magnético antisimétrico, 1232 dipolos superconductores Campo magnético nominal: 8.33 T ( veces campo terrestre) Campo correspondiente a una energía por haz de 7 TeV Posibilidad de subir el campo a un valor límite de 9T. El sistema superconductor ha de operar a una temperatura de 1,9 K, alcanzada con helio superfluido. También se pueden acelerar haces de núcleos de plomo (Pb-208), colisionando con una energía en el CM de 1150 TeV. Cada ion de Pb- 208 alcanza una energía de 1150/2 = 575 TeV. La energía por nucleón es: 575/208 = 2,76 TeV 30

31 Dipolos 31

32 Dipolos 32

33 K 7 TeV 8.33 T A 7 MJ 33

34 Punto 4: Aceleración Sistema de RF Para acelerar los haces se utilizan cavidades de radiofrecuencia, que proporcionan energía a los haces a cada paso En LHC, 8 cavidades por haz, cada una de ellas proporciona 2 MV (campo de aceleración de 5 MV/m) a 400 MHz. Las cavidades operan a 4.5 K los imanes usan helio superfluido a 1.8 K. La energía máxima se alcanza en unos ~15min, en los que los haces atraviesan las cavidades aproximadamente 1 millón de veces 2 módulos/haz 4 cavidades/módulo 34

35 Puntos 2&8: Inserción Inyección Desvían las partículas desde SPS hacia dentro del tubo de LHC 35

36 Puntos 3&7: Limpieza Colimadores El potente sistema de colimadores en LHC protege el acelerador contra las inevitables pérdidas y desviaciones (regulares e irregulares) del haz. Dos de las secciones rectas (IR3 & IR7) están dedicadas a limpieza del haz. Incluso una mínima fracción de la energía almacenada es suficiente para provocar un quench de un imán superconductor, que incluso podría dañar partes del acelerador. Unas pocas partículas fuera de su órbita pueden poner la máquina en peligro. La energía almacenada en los dos haces de LHC es suficiente para derretir 1 Ton de cobre. Una fracción de 10-6 de esa energía puede dañar el tubo. Estas secciones se encuentran entre las zonas más radiactivas de LHC. Están equipadas con 54 colimadores móviles bidireccionales, y un juego de imanes convencionales que operan en campos entre 0.09 T y 1.53 T. 56 mm 1 mm 36

37 Punto 6: Vaciado Extracción del haz El sistema de protección contra quenches (QPS) provoca un vaciado de haz (beam dump). Dispersa el haz para reducir el impacto en el blanco Cuando llega el momento de descartar los haces (pérdida de calidad o en caso de emergencia), éstos son apartados del anillo por medio de un sistema de imanes extractores, y lanzados contra un bloque. El bloque de absorción (dump block) puede soportar el impacto del haz completo. Está compuesto por un cilindro de grafito de 8m de longitud y 1m de diámetro, encapsulado en 1000T de hormigón. Al absorber la energía del haz, su temperatura aumenta muchísimo pero no se funde. Este tamaño permite dispersar los chorros hadrónicos a lo ancho de su volúmen. haz 37

38 Puntos 1,2,5,8: Colisiones Experimentos Focaliza los haces en el punto de interacción 38

39 Tripletes (puntos 1, 2, 5 & 8) Focalización de haces 39

40 Luminosidad La relación entre el haz y la tasa de sucesos resultantes de un proceso físico viene dada por la luminosidad. Tasa R L Luminosidad Sección eficaz (Física) En un experimento L es la luminosidad integrada (en tiempo, unidades σ -1 ). Es un modo de medir el número de colisiones registradas. Uno de los parámetros más importantes de un colisionador es la luminosidad instantánea (diferencial), con unidades σ -1 t -1. En LHC, la luminosidad de diseño es L cm -2 s -1 = 1 nb -1 s -1. Representa una medida de la tasa de colisiones por segundo. Unidad estándar de sección eficaz: barn =10-24 cm 2 Unidad estándar de luminosidad: cm -2 s -1 Luminosidad integrada: barn -1, donde b 1 (1s) (10 24 La sección eficaz de un proceso, σ, es la razón entra la corriente saliente, j out, y la corriente entrante, j in : cm s = j out j in -2 s -1 ) 40

41 Luminosidad Desde el punto de vista del colisionador, L se define en función del número de partículas en el haz, N i (protones), la frecuencia de cruce, f, y las características del haz. 1 2 L frev nnb R * 4 Valores nominales LHC f = 40 MHz, N 1 = N 2 = 1.15x10 11 L cm -2 s -1 La luminosidad se degrada con el paso del tiempo debido a las interacciones de los protones con las moléculas residuales dentro del tubo del haz. La medida y monitorización de la luminosidad instantánea es crucial. N Receta para alcanzar alta luminosidad: Paquetes de alta densidad (alto no. protones / paquete) Baja emitancia Valores bajos de la función de amplitud en el punto de colisión (óptica) 41

42 Parámetros nominales LHC Run 1 ( ): Energía: 3.5 TeV / 4 TeV 1380 paquetes Espaciado temporal= 50 ns Parámetros nominales Energía por haz (TeV) 7 Partículas por paquete 1.15 x Paquetes por haz 2808 Ángulo de cruce ( rad) 285 Emitancia transversa norm ( m rad) 3.75 Longitud paquete(cm) 7.55 β * en IP 1, 2, 5, 8 (m) 0.55,10,0.55,10 Parámetros relacionados Luminosidad en IP 1 & 5 (cm -2 s -1 ) Luminosidad en IP 8 (cm -2 s -1 ) ~ 5 x Sección transversal haz IP 1 & 5 ( m) 16.7 Sección transversal haz IP 2 & 8 ( m) 70.9 Energía almacenada por haz (MJ) 362 Espaciado entre paquetes (ns) 25 42

43 Luminosidad instantánea (Run1) 43

44 Luminosidad integrada (Run1) 44

45 Magnet Current Ciclo de operación de LHC Physics Beam Dump Squeeze, adjust Physics Interfill Injection El ciclo de operación de LHC incluye periodos de colisión («fills») e «inter-fill s» Periodos de física (colisiones) se mantienen tanto tiempo como sea posible antes de que la calidad de los haces se degrade (hasta 20 h) Cuando la calidad es baja, se desechan los haces y se bajan las corrientes de los imanes. En el mejor de los casos lleva unas 2h volver al modo de física Si > 3 h hasta el próximo fill -> calibraciones, toma de datos con cósmicos, intervenciones in-situ, etc. 45

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48 El futuro de LHC A punto de concluir la primera parada larga prevista. Colisiones se retomarán en pocos meses. Reparación de uniones de imanes, mejora de inyectores, mantenimiento : L = cm -2 s -1 y E CM >= 13 TeV (25ns o 50ns BX) Después la situación dependerá de los resultados de física de los próximos años. Posible incremento de L (10 35?) y/o E CM (20-50 TeV?). Ello requeriría intervenciones sustanciales en los experimentos y el acelerador. Opciones: Installación de HL-LHC HW, LHeC, preparación de HE-LHC 48

49 y después? Un colisionador leptónico de >1 TeV/haz podría competir con el potencial de descubrimiento de LHC Por desgracia, construir un acelerador así es MUY MUY difícil (a día de hoy) Colisionadores e+e- circulares limitados por radiación sincrotrón LEP alcanzó 100 GeV/haz en una circunferencia de 27 km. Supuso el límite para aceleradores e + e - circulares Próximo paso será un colisionador lineal Propuesta: ILC 30 km, 250 x 250 GeV e + e - (No al límite de de la frontera) Factoría de Higgs, quizá algo más, dependiendo de próximos resultados Otras opciones de futuro sobre la mesa (CLIC, FCC ) 49

50 Experimentos de física de partículas, año 0 El primer acelerador artificial de partículas se hizo usando tubos de Crookes, en la segunda mitad del S. XIX Usados para producir los primeros rayos X (1875) pero en aquel momento nadie sabía qué estaba pasando El primer experimento de física de partículas lo realizó Ernest Rutherford, deduciendo la estructura del átomo (1911) Estudio de la dispersión de radiación alfa en una lámina de oro Detector: placa fluorescente ZnS; Resultados de los choques registrados y analizados Acelerador : núcleo de 235 U 50

51 Los experimentos de LHC ACELERADOR COLISIÓN DETECTOR Experimentos actuales funcionan como gigantescas cámaras digitales Distintas capas destinadas a medir distintas partículas 4 puntos de cruce de haces en LHC 2 experimentos para medidas específicas (más pequeños) 2 experimentos MULTIPROPÓSITO Por qué 2 experimentos? Redundancia, optimización Las colisiones se dirigen al corazón de esos detectores / experimentos La física que pretendemos estudiar es la que marca las pautas de funcionamiento del acelerador 51

52 Los cuatro fantásticos 52

53 ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Especializado en medidas durante colisiones ion-ion Solenoide convencional. Extensa TPC. Detector muones asimétrico. 53

54 LHCb Programa concentrado en el estudio de física del quark b Los mesones B (contienen quarks b) generados en las colisiones de protones (y las partículas en las que estos mesones se desintegran) tienden a viajar cerca de la línea del haz. Esto se refleja en el diseño del detector. Fragmento extendido de un detector 4π. 54

55 ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS) Mayor que CMS, pero mucho más ligero (diseño determinado por la configuración del imán) Pequeño solenoide + gran toroide (en aire) proporcionando B= 1 T. Campo no uniforme, pero no hay dispersión múltiple µ 55

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57 2.3. Detectores de partículas

58 Detectores de partículas Principios generales El principio de funcionamiento de un detector de partículas está basado en las distintas interacciones que las partículas dejan a su paso al atravesar determinados materiales Estas «huellas» nos indican de que tipo de partícula se trata, de su energía, la carga eléctrica, el punto donde se originó Las huellas dependen no sólo del tipo de partícula sino también del material en que se producen DETECTOR

59 Detectores de partículas Principios generales Las señales producidas al paso de las partículas permiten: Identificar todas las partículas presentes (muones, electrones, piones ) Medir las propiedades de estas partículas (masa, energía, momento, carga ) Reconstruir el proceso que las ha generado (algunas partículas solo pueden ser detectadas a partir de sus productos de desintegración W,Z,H ) Cuando han dejado huella muchas partículas, distinguir las huellas y asociarlas a cada partícula puede resultar complejo Un experimento de altas energías típicamente combina numerosos detectores / tecnologías de detección para conseguir una imagen global del proceso estudiado. Cada experimento se diseña en función de la física que se quiera estudiar y las condiciones en las que se producen (natural/ aceleradores + energía, fondo, frecuencia, tasa de sucesos ) usando aquellos detectores que mejor se adecúen a las necesidades. AMS ANTARES CMS

60 Tipos de detectores (LHC) Muchos tipos de detectores, dependiendo del tipo de partícula y objetivo de la medida. En los experimentos de LHC, el objetivo es identificar, medir trayectorias y energía/momento de las partículas para reconstruir con precisión el proceso completo generado en la colisión. 2 tipos fundamentales: DETECTORES DE IONIZACIÓN (medida de posiciones) Una partícula cargada que atraviese un material puede ionizarlo. Si logramos transformar esa ionización en una señal medible podríamos detectarla. Distintos materiales Gaseosos Líquidos De estado sólido - Semiconductores CALORÍMETROS (medida de energía) Las partículas son absorbidas por el material, transformando la energía en señales medibles que permitan estimar su energía y posición Electromagnéticos (medida de fotones y electrones/positrones) Hadrónicos (piones, neutrones )

61 Detectores gaseosos Los iones y electrones creados en el gas se mueven en todas direcciones y perderán su energía en las colisiones con el gas (termalización) y viajan cortas distancias hasta que se neutralizan. La difusión de estos iones/electrones depende del gas Si aplicamos un campo eléctrico al gas, los iones y electrones se moverán siguiendo las líneas del campo. ánodo Efield p cátodo El movimiento de los electrones debido a E se denomina velocidad de deriva y es proporcional al campo reducido E/p (p= presión del gas) (Vd ~ cm/ms) Los iones se mueven a velocidades mucho menores (cm/ms) porque su masa es ~1000 veces mayor - + Sí el campo eléctrico es suficientemente intenso los electrones/iones llegarán hasta el ánodo/cátodo Si el campo aplicado es suficientemente grande, el electrón acelerado por el campo puede adquirir energía suficiente como para volver a ionizar y producir un nuevo electrón que a su vez podrá ionizar de nuevo y así sucesivamente dando lugar a una avalancha de electrones.

62 Detectores gaseosos Diseño básico Dependiendo del campo E aplicado funcionará como: Cámara de ionización Contador proporcional Contador geiger-muller Detector Cilíndrico con un hilo en el centro Detector de planos paralelos 2a (diámetro hilo) ~ mm Aplicando voltaje al hilo E r = V 0 ln b a E aumenta cerca del hilo La avalancha solo se produce en las cercanías del hilo 1 r El campo es homogéneo en todo el volumen del gas La avalancha se produciría en cualquier punto

63 Ejemplo: tubos de deriva (Drift Tubes, DT) La partícula incidente ioniza el gas. Los electrones liberados se mueven hacia el ánodo (derivan) debido al campo eléctrico aplicado. En las inmediaciones del ánodo el campo es muy intenso y se produce una avalancha x ánodo Se mide el tiempo de llegada de las señales con respecto a la señal de disparo t 0 que generalmente se proporciona por otro detector. Esto nos permite calcular la posición de paso de la partícula incidente Región E bajo deriva Región E alto amplificación x v ( D t ) dt VD=Velocidad de deriva (~50 micras/ns)

64 Detectores semiconductores Concepto similar a los gaseosos (aprovechar la ionización para medir posiciones) Sin embargo el medio activo es un sólido semiconductor. Cuando una partícula atraviesa un material semiconductor puede ionizar y producir un par electrón-hueco Si T > 0K tendremos electrones libres que también se moverán en ese campo eléctrico A temperatura ambiente el número de electrones libres es órdenes de magnitud superior al número de electrones que puede generar una partícula por ionización Cómo pueden eliminarse los electrones libres? Depletion region en una unión p-n Zona sin cargas libres, o zona de carga espacial Debido a las diferencias de concentración de huecos y electrones en ambos materiales: Esto crea un campo eléctrico que detiene la difusión Esta zona puede usarse como detector No hay cargas libres que enmascaren la señal El campo E originado permite la deriva de los electrones producidos por la partícula incidente que pueden recogerse para producir la señal (pero este campo es débil) t Depletion region

65 Detectores de silicio Los detectores de silicio son diodos p-n operando con polarización inversa Las partículas cruzando la zona sin cargas libres producirán electrones que se moverán en el campo eléctrico y producirán una señal como ocurría en los detectores gaseosos Debido a la alta densidad del silicio (especialmente si lo comparamos con un gas) y a su baja energía de ionización (W I = 3.6 ev) bastan m para poder tener una señal. (de/dx) Silicio = 3.87 MeV /cm pares e-h en 300 m ~106 pares/ m En los detectores gaseosos por ionización se producen tan solo ~100 pares e-ion por cm Se necesita trabajar en modo avalancha para tener señales mayores Pero solo será posible trabajar en la zona sin cargas libres puesto que el silicio a 300K tiene pares e-h en 300 m en un área 1x1 cm 2 Al igual que en los detectores gaseosos los electrones Derivan (los huecos tienen vd similar a e-, no como los iones en el gas) Se difunden (~8 m en 300 m de deriva) Se ven afectados por B Del mismo modo que con los detectores gaseosos necesitamos un circuito y electrónica externa para leer las señales p

66 Calorimetría Principios generales Los calorímetros se utilizan para medir - Energía de las partículas - Posición - Naturaleza de la partícula Conceptualmente es un bloque de materia suficientemente grande para que la partícula sea absorbida completamente y transforme parte de la energía en una señal medible proporcional a la energía incidente. Es un proceso destructivo Permiten medir tanto partículas cargadas como neutras Las partículas interaccionan con el material y crean partículas secundarias que a su vez pueden dar lugar a otras nuevas generándose una cascada de partículas. Los procesos que forman la cascada dependen del tipo de partícula y material. Podemos distinguir dos tipos: Cascadas electromagnéticas (e, ) Cascadas hadrónicas (, p, K n, K 0 L ) Los muones y neutrinos no son absorbidos en los calorímetros. Podemos identificar que se trata de un muon porque penetra todo el calorímetro y deja una señal compatible con una MIP Los neutrinos no dejarán señal

67 Calorimetría Principios generales Por su configuración podemos distinguir: Calorímetros homogéneos: Formados por un solo material que sirve para absorber las partículas y producir la señal Calorímetros de muestreo Formados por dos materiales: - Absorbente, de mayor densidad (alto Z) donde se absorbe la partícula y se produce la cascada - Medio Activo o de lectura, donde se produce la señal (solamente se leerá la señal de una parte de la cascada) Los calorímetros de muestreo utilizan como medio activo distintos tipos de detectores (gaseosos, centelleo )

68 Cascada electromagnética Desarrollo de la cascada Un electrón que atraviese el material producirá fotones debido al bremsstrahlung Esos fotones se aniquilarán produciendo pares e+e- Los nuevos e+ y e- radiarán más fotones que a su vez producen más pares e+e- e- e + e - e + e + e - e + e - e - e + Si la cascada la inicia un fotón producirá pares e+e- y a partir de ahí continúa desarrollándose la cascada. e + e - e - e - e + Llega un momento en la que el número de partículas deja de aumentar ya que cada partícula nueva tiene menos energía que la anterior. Cuando los fotones emitidos tienen E < 2m e c 2 los fotones sólo podrán producir 1 electrón Cuando la energía de los e+ y e- disminuye las pérdidas por ionización se van haciendo más importantes y por debajo de la energía crítica la cascada empieza a decrecer. Importante longitud de interacción

69 Cascada hadrónica - Espalación Conceptualmente es análogo a la cascada e.m. pero mucho más compleja Mayor variedad y complejidad de procesos implicados Un hadrón al penetrar en el material ionizará el material hasta que se aproxime lo suficiente a un núcleo como para experimentar una interacción fuerte y lo más probable es que se produzca un proceso de espalación: I. Una serie de colisiones de partículas independientes dentro del núcleo, los nucleones tienen energía para viajar dentro del núcleo e interaccionar con otras Cascada intranuclear Se pueden crear piones y otros hadrones Estas partículas puede llegar a escapar del núcleo Esta primera fase Espalación rápida II. Los núcleos posteriormente se podrán desexcitar emitiendo partículas (principalmente n, ) Si el material es pesado puede producirse fisión originando energía ( MeV) (Cinética + excitación). Se desexcitarán emitiendo n, 70

70 Cascada hadrónica Algunas de las nuevas partículas sufren sólo interacciones electromagnéticas (p.ej. producidos de las desintegraciones de 0 y h). En las primeras fases de la cascada hadrónica las partículas son muy energéticas y pueden producir piones. El número promedio N π = 2 1/3 serán 0 E 0 m n c 3 El número de 0 producidos varía mucho de un suceso a otro. Depende de la primera fase de la cascada donde el proceso es posible 1 4 m n y E 0 = masa y energía del nucleón incidente La cascada hadrónica tendrá dos componentes 1. Una cascada electromagnética por e+,e-,, (originada principalmente desde 0 ) 2. Una cascada puramente hadrónica (p,k, ±, iones ligeros ) En las cascadas hadrónicas no toda la energía del hadrón incidente se convierte en energía detectable. La energía invisible (hasta el 40%) es debida a: - Neutrinos no interaccionan en el material - Muones depositan una pequeña fracción de su energía - Neutrones lentos que pueden escapar del detector - Energía de ligadura y retroceso nuclear (la contribución más importante)

71 Otros tipos de detectores Para medir la energía de la(s) partícula(s) absorbida(s), los calorímetros contienen / están formados por: CENTELLEADORES Para algunos materiales los átomos o moléculas excitados al paso de partículas pueden decaer emitiendo luz. En algunos casos esa luz no es reabsorbida y puede detectarse. Existen varias categorías de este tipo de materiales (centelleadores), en cada una de ellas la luz se produce por un mecanismo diferente: Orgánicos / Inorgánicos / Gases nobles FOTODETECTORES Existen distintos detectores usados comúnmente como detector de fotones acoplado a un material de centelleo. El objetivo es transformar la luz en una señal eléctrica medible Fotodetectores de vacío (PMTs ) Detectores de estado sólido (APDs, SiPMs ) Detectores híbridos (HPD)

72 Identificación de partículas La identificación de partículas es un aspecto crucial en los experimentos de física de partículas. Electrones y hadrones producen cascadas diferentes en los calorímetros. Las medida de la masa puede obtenerse a partir de la relación entre el momento y la velocidad. Las partículas pueden ser identificadas por su masa y por el modo en que interactúan con el medio. Los hadrones neutros además no dejarán señal en el detector de trazas porque no ionizan el medio Los fotones tampoco ionizan, producirán un par e+e- y una cascada e.m Los muones ionizan, atraviesan todo el sistema de detectores depositando poca señal en ellos (MIP) Fundamental la medida de momento/velocidad/energía/carga La identificación de la partícula medida se puede conseguir combinando información de distintos detectores. Algunos detectores específicos (o cuentan con características que lo permiten) Cherenkov / TRD / TPCs 73