Mar CAPEANS, CERN Detectores de Partículas Mar CAPEANS CERN Spanish Teachers Programme 06/2010

Mar CAPEANS, CERN Sumario  Retos de los detectores del LHC  Paso de partículas a través de la materia Partículas cargadas, fotones, neutrones, neutrinos Combinación de medidas  Detectores Ionización Centelleo Semiconductores  Cómo funcionan los experimentos El detector ATLAS Tratamiento y selección de datos >>>>> Visita a ATLAS 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Los retos del LHC  Partículas fundamentales  La masa de las partículas: Bosón(es) de Higgs  Materia, Energía oscura: Partículas supersimétricas  Materia VS antimateria  Novedades: nuevas fuerzas, dimensiones extra… 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Suceso registrado en ATLAS 4 CERN HST Programme Julio 2010

Mar CAPEANS, CERN CERN HST Programme Suceso a cámara lenta q, g Higgs 1 Julio 2010

Mar CAPEANS, CERN CERN HST Programme Suceso a cámara lenta   Higgs , p, K,… 1 Julio 2010

Mar CAPEANS, CERN 7 CERN HST Programme Julio 2010 Retos tecnológicos  Interacciones  10 9 interacciones/s  Sólo se registran datos de ~100 sucesos/s  La decisión (level-1 trigger) se toma en 2- 3 microsegundos  Los datos se almacenan localmente (pipeline)  Altísima multiplicidad  En cada cruce de haces se sobre imponen 20 sucesos  Cada 25 ns unas 1000 trazas pasan por el detector  Los detectores deben tener alta granularidad y muy buena resolución espacial.  Esto se traduce un altísimo numero de canales (~100 millones)  Niveles de radiación sin precedentes

Mar CAPEANS, CERN 1 Julio 2010 Detectores de partículas: Registrar Colisiones Detectores del LHC Registran todo tipo de partículas. Son como “Cámaras de fotos” con 100 millones de píxeles que cada segundo toman 40 millones de fotos de las colisiones Se guarda 1 foto, de cada millón Cámara fotográfica: Registra imágenes (fotones), resolución: 4 a 8 Millones de píxeles CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Física de Partículas  Aceleradores  Luminosidad, energía, quantum numbers  Detectores  Eficiencia, rapidez, granularidad, resolución  Trigger/DAQ  Eficiencia, compresión, through-put, physics models  Análisis de datos (Offline)  Señal y ruido (background), physics models Los factores fundamentales para el éxito de un experimento son el acelerador, el detector y sus sistema de trigger …. Las pérdidas a estos niveles no son recuperables. 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Detectores del LHC  Cada experimento del LHC ha optado por la tecnología y configuración que ha considerado más adecuada para construir un detector lo más compacto, robusto y eficiente posible. 1 Julio 2010CERN HST Programme ALICEATLASCMSLHCb + TOTEM, + LHCf

Mar CAPEANS, CERN Interacciones 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Fuerzas VS distancia  Distancias atómicas : sólo la Fuerza EM y Gravedad poseen intensidades relevantes. Pero EM es 40 órdenes de magnitud más intensa que G  A distancias del orden del protón, la Fuerza Fuerte ‘se enciende’ y es 100 veces más fuerte que la EM  A distancias 1/1000 del protón, la Fuerza Débil es importante 1 Julio 2010CERN HST Programme EM Fuerte Débil Gravedad

Mar CAPEANS, CERN Detección de Partículas  Considerando lo dicho sobre transferencia de energía de las partículas cargadas en la materia, se concluye que el efecto más importante es la transferencia de energía, vía la interacción EM, a los electrones atómicos  Interacción con el núcleo atómico: la partícula se desvía de su trayectoria inicial (scattered) causando ‘colisiones’ múltiples con el material. En este proceso, un fotón Bremsstrahlung puede ser emitido  Las partículas neutras también interaccionan con la materia Por ejemplo, el fotón transfiere energía a los electrones o se crean pares electrón/positrón los cuales se comportaran como partículas cargadas (Efecto Fotoeléctrico, Producción de Pares, Compton)  El proceso final es la excitación de átomos o moléculas y/o su ionización. Estos son los efectos que utilizamos en nuestros detectores: En un semiconductor miramos a la creación de pares e-/h En detectores de gas, miramos a la creación de pares e-/ión En centelleadores, utilizamos la excitación y rápida de-excitación que genera luz en el rango visible, y ésta es lo que medimos Y otros: Cerenkov, Radiación de transición, …. 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Estructura del detector ATLAS 14 CERN HST Programme Julio 2010  Detección Imanes Detector interno de trazas Calorímetros Cámaras de muones  Tratamiento de datos El sistema de trigger El sistema de adquisición Computación

Mar CAPEANS, CERN Los imanes de ATLAS 1 Julio 2010CERN HST Programme Tesla 5.3 m (L), 2.4 m ( ∅ ) Kg 4 Tesla 5 m (L), 10.7 m ( ∅ ) Kg 4 Tesla 25.3 m (L), 20 m ( ∅ ) Kg En un campo magnético: Las partículas mas rápidas se curvan menos >> Medida del momento Las partículas cargadas positivamente o negativamente se curvan en direcciones opuestas >> Medida de la carga

Mar CAPEANS, CERN Los imanes en ATLAS (1) 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN ATLAS / Detector de trazas interno 17 CERN HST Programme Julio m 2.1 m

Mar CAPEANS, CERN Detector de trazas  Función: detectar trazas de partículas cargadas  Detectores de múltiples capas >> Medida de la posición En ATLAS:  Pixel: Silicio (80 M canales)  SCT: Silicio (6.2 M canales)  TRT: Straws-Gas (3.7 M canales)  Principio de detección: ionización (del Si o gas)  Situados en un campo magnético >> Medida del momento y carga 18 CERN HST Programme Julio 2010

Mar CAPEANS, CERN El detector de Trazas 1 Julio 2010CERN HST Programme Pixel SCT TRT Semiconductor Gas Detector

Mar CAPEANS, CERN Transition Radiation Tracker 20 CERN HST Programme Julio 2010

Mar CAPEANS, CERN Calorímetros  Función: detectan la energía de las partículas neutras o cargadas. Paran las partículas, excepto los muones (muy pesados) y neutrinos (no interaccionan con la materia).  Sándwich de un material pasivo muy pesado (hierro, plomo) y un medio activo (cristal, argón liquido + cámaras de detección)  ATLAS:  Liquid Argon  Tile 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Calorímetro electromagnético (e -, γ) 22 CERN HST Programme Julio 2010

Mar CAPEANS, CERN Calorímetro hadrónico (n,p,mesones) 23 CERN HST Programme Julio 2010

Mar CAPEANS, CERN Instalación 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Cámaras de muones  Función: detectar muones; un muón es como un electrón pero mucho más pesado, por lo que atraviesa fácilmente un detector de partículas y llega hasta sus capas más externas  Principio de detección: cámaras de detección (ionización en gas) similares a los detectores de trazas, pero de menor resolución espacial.  También deben ser detectores de respuesta muy rápida ya que se utilizan en el sistema de trigger para la selección de sucesos  Tecnologías en ATLAS:  Cámaras de precisión: MDT y CSC (gas)  Cámaras de trigger: RPC y TGC (gas) 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN ATLAS muones 1 Julio 2010CERN HST Programme TGC Big Wheel m Millones de canales Precisión de alineamiento <±30  m

Mar CAPEANS, CERN Electrónica  La eficiencia de la mayoría de los detectores depende críticamente de la electrónica de lectura  Se necesita lo que llamamos ‘low noise front-end electronics’ 1 Julio 2010CERN HST Programme Fuentes de ruido importantes son las llamadas corrientes de fuga a la salida del detector (shot noise) y el ruido electrónico del amplificador. Ambas son inevitables y por lo tanto es importantes controlarlas y reducirlas El detector esta representado por C d, El voltaje es aplicado a través de R b La resistencia Rs representa todas las resistencias en la entrada El preamplificador amplifica la señal y el shaper se encarga de la frecuencia y limita la duración de la señal.

Mar CAPEANS, CERN Ej. de Lectura de un Calorímetro 1 Julio 2010CERN HST Programme Pipeline  To DAQ Upper-Level VME Readout Card (in Counting Room) Digital Trigger S PbWO 4 Crystals APD VPT Floating-Point Preamp Fiber Readout ADC Partícula DetectorElectrónicaAdquisición Energía Luz Corriente Voltaje Bits Luz

Mar CAPEANS, CERN Tratamiento de datos 1 Julio 2010CERN HST Programme Primera selección de datos con un sistema de trigger en 3 niveles: TriggerMétodoEntrada Sucesos/s Salida Sucesos/s Factor de reducción Nivel 1HW (  Calo) Nivel 2SW (RoI, ID) Nivel 3SW Tier O Worldwide LHC Computing Grid

Mar CAPEANS, CERN Sumario de Señales 1 Julio 2010CERN HST Programme Vemos que los diversos detectores y la combinación de información que proveen, permiten la identificación de partículas; Por ejemplo, p VS energía del EM para los electrones EM/HAD proporcionan información adicional, así como las cámaras de muones, Una respuesta en el EM sin trazas indican un fotón; Vértices secundarios identifican b, c,  ; etc

Mar CAPEANS, CERN Detección de Partículas  De todas las partículas que conocemos, solo unas cuantas tienen un tiempo de vida suficientemente largo para dejar una traza de su existencia en el detector  La mayoría de las partículas se miden gracias a la detección de otras partículas en las que decaen y relaciones cinemáticas (masa invariante)  Algunas partículas de vida muy corta (b, c) dejan trazas reales en los detectores… antes de decaer  Construimos detectores para registrar: e ±, μ ±, ϒ, π ±, K ±, K o, p ±, n  Sus diferencias (masa, carga, y como interactúan con la materia) son las claves para su identificación 1 Julio 2010CERN HST Programme From W.Riegler Summer Std Lectures

Mar CAPEANS, CERN 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN ? 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN Mas información 1 Julio 2010CERN HST Programme WEB The Particle Detector BriefBook CERN summer student lectures by W.Riegler: LIBROS: K. Kleinknecht - Detectors for Particle Radiation, C.U.P R.K. Bock & A. Vasilescu - The Particle Detector BriefBook, Springer 1998 R. Fernow - Introduction to Experimental Particle Physics, C.U.P W.R. Leo - Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag 1987 G.F. Knoll - Radiation Detection and Measurement, Wiley 1989 Notas CERN: Fabjan & Fischer - Particle Detectors CERN-EP 80-27, Rep. Prog. Phys. 43 (1980) 1003 F. Sauli - Principles of Operation of Multiwire Proportional and Drift Chambers, CERN 77-09

Mar CAPEANS, CERN EXTRA 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN La colaboración ATLAS 36 CERN HST Programme Julio países 167 Instituciones 2200 autores (1600 PhD, 400 estudiantes,1000 técnicos) Barcelona Valencia Madrid

Mar CAPEANS, CERN Proyecto distribuido  Ejemplo: el TRT 1 Julio 2010CERN HST Programme Diseño y Prototipos Rusia, US CERN EU, US, Rusia, etc CERN, US, Dinamarca, Suecia CERN, US, Dinamarca, Rusia, Suecia, Polonia I + D CERN, Rusia, US Instalación en la caverna CERN Commissionng

Mar CAPEANS, CERN Higgs en ATLAS 1 Julio 2010CERN HST Programme

Mar CAPEANS, CERN 39 Photons Three processes : Photoelectric effect (Z 5 ); absorption of a photon by an atom ejecting an electron. The cross-section shows the typical shell structures in an atom. Compton scattering (Z); scattering of a photon again a free electron (Klein Nishina formula). This process has well defined kinematic constraints (giving the so called Compton Edge for the energy transfer to the electron etc) and for energies above a few MeV 90% of the energy is transferred (in most cases). Pair-production (Z 2 +Z); essentially bremsstrahlung again with the same machinery as used earlier; threshold at 2 m e = MeV. Dominates at a high energy. Plots from C.Joram 1 Julio 2010CERN HST Programme 2010

Mar CAPEANS, CERN 40 Neutrinos Text from C.Joram 1 Julio 2010CERN HST Programme 2010

Mar CAPEANS, CERN 41 Inorganic Crystalline Scintillators The most common inorganic scintillator is sodium iodide activated with a trace amount of thallium [NaI(Tl)], Energy bands in impurity activated crystal Strong dependence of the light output and the decay time with temperature. Scintillators From CERN-CLAF, O.Ullaland 1 Julio 2010CERN HST Programme 2010