Física de Partículas Experimental

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María Antonia Henríquez Ruiz
hace 5 años
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1 Física de Partículas Experimental 4a clase Luis Manuel Montaño Zetina Departamento de Física Cinvestav Departamento de Física USON Hermosillo Sonora 5-9 agosto 2013

3 Es fácil contar partículas? En colisiones PbPb centrales al SPS se crean más de 1000 partículas.

4 Es fácil contar partículas? En colisiones AuAu centrales se crean como 5000 partículas.

5 Producción de partículas en colisiones de iones Multiplicidad = número de partículas producidas en una colisión. La multiplicidad en colisiones nucleares contiene información de: Entropía del sistema creado en la colisión Cómo la energía inicial disponible en la colisión viene redistribuida para producir partículas en el estado final. Densidad de energía en el estado inicial. Mecanismos de producción de partículas. Geometría (centralidad) de la colisión. Por tanto se puede obtener información importante sólo contando las partículas producidas. Análisis que no pide identificación de partículas, por lo que se efectúa en los primeros días de la puesta en marcha del experimento.

6 Multiplicidad y centralidad El número de partículas producidas está relacionado con la centralidad (parámetro de impacto) de la colisión. Las colisiones de núcleos son descritas como una superposición de colisiones entre nucleones. El número de colisiones entre nucleones ( Ncoll ) y el número de nucleones participantes ( Npart ) dependen del parámetro de impacto b. Cada colisión o participante contribuye a la producción de partículas y, por tanto, a la multiplicidad.

ALICE @ LHC The ALICE experiments will try to reproduce

Pb-Pb collisions at very high energies Pb ion (charge

7 LHC The ALICE experiments will try to reproduce the extreme conditions for the formation of QGP through Pb-Pb collisions at very high energies Pb ion (charge +82) Colliding Pb ions QGP formation after the collision

8 Participantes vs. expectadores The centrality determination provides a tool to compare ALICE measurements with those of other experiments and with theoretical calculation. It is a key parameter to study of properties of QCD at extreme temperature and energy density. It is related with impact parameter and in terms of nuclear participants. But both parameters are directly measurable. What it is measurable is the multiplicity in a given rapidity range. This increases with the impact parameter. Other parameter measurable is the energy of the spectators (ZDC). Measuring the energy deposited in the ZDC by spectators alloes direct access to the number of participants (all of the nucleons minus spectators).

9 Participantes vs. expectadores Glauber model to relate multiplicity and zero degree energy to geometry of the collisions (b, Npart): 1- colliding nuclei described by the distribution of nucleons inside nucleus (Woods-Saxon deistribution) 2- supposed nucleons follow straight trajectories. 3- nucleons of diff nucleus collide if distance is less than inelastic nucleus cross-section 4- use the same cross sextion for all collisions

10 The role of V0 Level 0 trigger 1. On-line vertex determination temporal asymmetry 2. Track distribution consistent with beam-beam interaction suppresion of beam - gas 3. Centrality measurement Multiplicity 4. Wake up signal within 100 ns after collision for the TRD Luminosity measurement

11 V0A T0L V0C PMD FMD T0R

12 Vertex determination V0A TL TR V0C L δ (t ) 1ns vertex 30 cm

13 beam gas suppresion V0A V0C

14 Centrality measurement V0A V0C

Muchas colisiones entre nucleones. Gran volumen de interacción. Muchas partículas producidas.

15 Centralidad de la colisión El parámetro de impacto (b) determina la centralidad de la colisión. COLISIONES CON PARAMETRO DE IMPACTO PEQUEÑO (CENTRALES) Muchos nucleones involucrados en la interacción. Muchas colisiones entre nucleones. Gran volumen de interacción. Muchas partículas producidas. COLISIONES CON PARAMETRO DE IMPACTO GRANDE (PERIFERICAS) Pocos nucleones involucrados en la interacción. Pocas colisiones entre nucleones. Volumen de interacción pequeño. Pocas partículas producidas.

16 Densidad de partículas a rapidez central como función de energía

17 Luminosidad La luminosidad está relacionada con el número de colisiones que se producen cuando chocan los dos haces de partículas. a mayor número de colisiones mayor probabilidad de que se produzca un determinado suceso. Una luminosidad elevada permite obtener en un periodo de tiempo razonable una buena estadística de todos los sucesos que ocurren cuando chocan dos haces de partículas, la luminosidad integrada se suele medir en unidades de femtobarn inverso (1 fb-1 = 10E39 cm-2).

18 Fundamental Particle Properties Charge: Charge of a particle can be determined in two ways 1) Sign of charge: Direction of deflection in a magnetic field 2) Magnitude of charge: Infer from knowledge of momentum and B-field strength Charge-dependent quantity, such as ionization energy loss, or Rutherford scattering cross section Direction: tracking detectors, B-field Momentum: tracking detectors, B-field Ionization energy loss: sampling w/ scintillation, TOF (for β) (Example: combine β from time of flight (TOF) with de/dx and use Bethe Bloch equation to get charge)

19 Fundamental Particle Properties Mass: Complicated: mainly specialized techniques One Example: 1) Measure two independent mass-dependent quantities: Momentum often one; ionization, range, or velocity Momentum/range: tracking detectors, B-field v Ionization/velocity: scintillation, TOF/ de/dx, C, TOF Example: (Fernow) Use conservation of energy and momentum to measure mass of muon neutrino ν µ mπ = p2 +mµ2 + p2 +mν2 mν2 =mπ2 +mµ2 2mπ(p2 +mµ2) 2 1 Use knowledge of mass of pion and muon, and measure momentum and B-field strength accurately δ p ~ M e V m M e V ( 9 0 % C L ) ν<

20 Fundamental Particle Properties Mass: Complicated: mainly specialized techniques Second Example: 2) Measure most quantities in an event, reconstruct mass: Jet energies, lepton momenta, missing ET for examples Jet energies: em and hadron calorimeters (fragmentation, etc) Momenta: tracking detectors, B-field Missing ET: all of the above, plus missing info & corrections Example: Measure top quark mass from tt pair production events F CD Use best combination (χ 2) of partons to reconstruct top mass to best resolution possible. R un 1

21 Fundamental Particle Properties Spin: Spins complicated for decaying particles 1) Ground state particles, electrons and nucleons: Hyperfine structure in optical spectroscopy, atomic/molecular beam experiments, bulk matter measurements using NMR. Other low energy particles: Various techniques eg: charged pions determined by relating the cross section for reaction to the cross section for the inverse reaction. 1) High energy interactions: Spins can be found from the decay angular distributions, and from the production angular distributions for particle interactions. Example: Measure top quark pair spin correlations using angles of decay products.

Fundamental Particle Properties Lifetime: Time dilation, lab distance: Distribution of decays at distance x is exponential: d N ( x ) = N ( x ) d x λ o t h a t N ( x ) = N e x p ( x λ ) Ds 0 D Slope

22 Fundamental Particle Properties Lifetime: Time dilation, lab distance: Distribution of decays at distance x is exponential: d N ( x ) = N ( x ) d x λ o t h a t N ( x ) = N e x p ( x λ ) Ds 0 D Slope depends on λ D, hence on cτ, measure slope/λ D to get lifetime τ. Example: Lifetime fraction of the new particle X(3872) Not quite a lifetime measurement, since need to know branching ratios and production. Measure fraction of X that are long-lived (from B meson decays) versus prompt. Measuring muon lifetime:

Fundamental Particle Properties Total Cross Section (prod rate): Two main methods 1) Measure every event (4π colliders & bubble chambers): Often called a counting experiment : σ R /L = N /L ε T=

23 Fundamental Particle Properties Total Cross Section (prod rate): Two main methods 1) Measure every event (4π colliders & bubble chambers): Often called a counting experiment : σ R /L = N /L ε T= Example: Top Pair Production Rate of production of tt pairs one of first things to measure upon discovery 2) Transmission Experiment: Measure particle intensity before and After target and extract cross section. I = I e x p ( N σ )w h e r e N = # t a r g e tn u c l e i 0 T Used at fixed target experiments, most often.

24 Construyendo más partículas Mesones B (bq) c c b u u b J/ψ B- B+ b d d b B0 B0 b b Y Y muchos más

25 J/Psi El grupo de Burton Richter en el SLAC (Stanford, ep), junto con le grupo de Samuel Ting en el Brookhaven National Laboratory (BNL, pp) encontraron el primer estado ligado del charm en 1974 llamando a esta partícula psi y J respectivamente. Hoy se llama mesón J/psi. Tiene una masa de 3.097GeV y está hecho de un quark encanto y un antiquark encanto, el cuarto sabor de los quarks conjeturado anteriormente. En 1976 Richter y Ting compartieron el Nobel de Física.

26 J/Psi SLAC BNL

27 J/Psi, pero El CERN no pudo descubrirla en su acelerador ISR donde se produjo en grandes cantidades sin identificarla. La J/Psi pudo haberse descubierto en Frascati, en el colisionador electrón-positrón ADONE. Fue diseñado para llegar a energías de 3000MeV.

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