Las Técnicas de Detección y los Grandes Detectores Hands on Particle Physics Master Class, Marzo 2015 By Ricardo Graciani

Mater Class, Detección y Detectores Técnicas de detección Ionización Centelleo Fotomultiplicadores Detectores Calorímetros Sistemas de detectores Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores La ionización El paso de una partícula cargada por un medio excita, por interacción electromagnética, electrones (o huecos), ionizando el medio. Para facilitar el procesado de las señales recogidas, se aplican campos eléctricos para transportar la carga liberada (electrones, huecos, iones) y recogerla mediante electrodos Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Detector Geiger Usados desde ~1910 para medir radiación cargada: electrones, protones, Iones Producen una señal eléctrica Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Cámara de Trazas Drift Chamber Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Cámaras de Burbuja y de Niebla Usan un gas o un líquido en estado metaestable (alta o baja presión). Los iones se convierten en centros de condensación o de ebullición. Las partículas crean un rastro de gotas o burbujas que se puede fotografiar y estudiar. En 1932 permitieron descubrir la antimateria (el positrón) Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores El positrón (1932) En Agosto de 1932, D. Anderson obtiene la primera evidencia de un “electrón” cargado positivamente mientras estudiaba rayos cósmicos con una cámara de niebla operada dentro de un campo magnético. Esta partícula fue identificada como el positrón, que había introducido Dirac un par de años antes mediante consideraciones puramente teóricas. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores El Pion (1947) One of these disintegrations was of particular interest, for whereas all stars previously observed had been initiated by radiation not producing ionizing tracks in the emulsion, the one in question appears to be due to nuclear capture of a charged particle, presumably a slow meson Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores El Kaon (1949-51) Usando emulsiones fotográficas y observando rayos cósmicos. K0+- K++ An event is described which offers further evidence for the existence of mesons of mass > p-particles. A particle, of which the mass, as determined by grain counts, is ~ 1000 me, comes to rest in the photographic emulsion and leads to the emission of three charged particles, one of which is apparently a p-meson. Evidence is given which suggests that the event corresponds to the spontaneous disintegration of the heavy particle into 3 charged mesons, whose masses are in the 200 - 300 me, region. “ C.F.Powell Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Centelleadores (I) En ciertos materiales, el paso de partículas cargadas produce una excitación de electrones o moléculas que vuelven a su estado fundamental emitiendo en forma de luz (fotones) la energía absorbida. La luz es recogida por dispositivos fotosensibles, fotomultiplicadores o fotodiodos, que la trasforman en una señal eléctrica para su posterior procesamiento. La energía necesaria para la emisión de un fotón depende del tipo de material (25-100 eV), así como el tiempo de emisión que van desde algunos s para ciertos cristales, CsI(Tl), hasta pocos ns para los centelleadores plásticos más rápidos. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Centelleadores (II) Centelleador + Guía de luz Fotomultiplicador Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Fotomultiplicadores Un tubo de vacío con una zona cubierta de material fotosensible. Por efecto fotoeléctrico, se transforma una parte de los fotones recibidos en electrones (fotoelectrones). En el interior se crea un campo eléctrico mediante una cadena de dínodos sometidos a potenciales crecientes. Los electrones liberados son atraídos al primer dínodo, donde liberan nuevos electrones que a su vez son conducidos al siguiente dínodo de la cadena hasta llegar al ánodo. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Semiconductores Una partícula cargada que penetra en el detector. Produce pares electrón-hueco a lo largo de su trayectoria en un número proporcional a la energía que pierde. Mediante un campo eléctrico aplicado externamente se separan los pares antes de que se recombinen (los electrones van al ánodo y los huecos al cátodo). La resolución depende de la distancia entre strips, “pitch”, y puede ser de decenas de m. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Calorímetros (I) Un calorímetro es un detector que mide la energía y posición de una partícula o grupo de partículas por absorción total. El proceso de absorción ocurre mediante “showers” , formadas por cascadas de partículas producidas en interacciones sucesivas La energía de la partícula incidente se degrada mediante procesos de ionización, excitación atómica,.. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Calorímetros (II) Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores Grandes Dectores (I) El Detector ideal debe identificar y medir todas las partículas producidas. Es decir determinar su momento, masa y carga. El tipo de acelerador y la física que se pretende estudiar determinarán su estructura. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Mater Class, Detección y Detectores LHCb p Beam p Beam VELO: Silicon vertex, reconstrucción precisa del Vértice primario y secundario. TT. T1,T2,T3 (IT+OT) : Tracking, basado en silicio (ST = TT +IT) y gas (OT) Magnet: 4Tm (10m), dB/B = 10-4 RICH1, RICH2: Cerenkov, separación π/K/p. ECAL, HCAL, SPD/PS: Calorimeters. M1-M5: Muon ID. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

Grandes Detectores (II) Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores

¿Cómo reconstruir el Higgs? Partículas como: el Higgs, ~125 GeV/c2 (~ 125 protones), los bosones Z, ~90 GeV/c2, o W, ~80 GeV/c2 Se desintegran muy rápidamente en otras más ligeras. Esto ocurre en el mismo sition en que se generan. Al detector solo llegan los productos (primarios o secundarios) de su desintegración que corresponden a partículas estables. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores