Ο ανιχνευτής «βλέπει» χιλιάδες τροχιές Χριστίνα Κουρκουμέλη Παν/μιο Αθηνών Το κλασσικό πείραμα δομής του ατόμου πριν 100 χρόνια!!! 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών ΈΛΕΓΧΟΣ ΥΠΌΘΕΣΗΣ: Το 1909 οι Geiger και Marsden υπό την επίβλεψη του Rutherford, έλεγξαν αυτή την θεωρία με το πασίγνωστο πια πείραμα με το χρυσόχαρτο. Ένας Στόχος (τα άτομα χρυσού στο χρυσόχαρτο) Ένας Ανιχνευτής (η οθόνη με την επίστρωση του θειούχου ψευδάργυρου) Μία Δέσμη (τα σωματίδια άλφα) 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Τι θα μπορούσε να σημαίνει αυτό; 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Ανιχνευτές της δεκαετίας ‘60 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Είδη πειραμάτων/ανιχνευτών Σταθερού Στόχου: Οι ανιχνευτές έχουν κωνικό σχήμα και είναι τοποθετημένοι προς την κατεύθυνση της δέσμης. Συγκρουομένων Δεσμών: Στα πειράματα συγκρουομένων δεσμών τα παραγόμενα σωματίδια κατευθύνονται προς όλες τις κατευθύνσεις και γι' αυτό τον λόγο ο ανιχνευτής είναι σφαιρικός (ή συνήθως κυλινδρικός). 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Ο Τέλειος ανιχνευτής: εντελώς «ερμητικός» Crystal Ball 1979->τώρα Number of crystals 672 Inner radius 25.4 cm Outer radius 66.0 cm Thickness 16 X0 Solid angle coverage 93% Photodetector PMT E E  4 2.8% E (GeV) Σύγκρουση μεταξύ ενός ηλεκτρονίου και ενός ποζιτρονίου. Ο κυλινδρικός ανιχνευτής ανιχνεύει τα νέα σωματίδια τα οποία δημιουργούνται μετά την σύγκρουση. 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Η πλησιέστερη γεωμετρία: Κυλινδρικό βαρέλι και εμπρόσθιοι ανιχνευτές (τάπες) 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Ένας τυπικός ανιχνευτής σωματιδίων Πιό κάτω βλέπετε μια σχηματική εικόνα του πώς διαφορετικά σωματίδια αλληλοεπιδρούν με διαφορετικά τμήματα του ανιχνευτή. Τουλάχιστον 4 διαδοχικά στρώματα 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Οι σύγχρονοι ανιχνευτές αποτελούνται από πολλά διαφορετικά μέρη που το καθένα τους μετράει μία διαφορετική ιδιότητα ενός γεγονότος/τροχιάς (ενέργεια,φορτίο κτλ). 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Οι καλοί παλιοί ανιχνευτές «ανιχνευτές σπινθηρισμού» •Γρήγοροι •Αξιόπιστοι •Απλοί •Χαμηλού κόστους Υλικό σπινθηρισμού (κρύσταλλος, υγρό..)/Διεγερμένα άτομα Φωτοδηγός Φωτοπολλαπλαστής με βάση Detectors based on registration of excited Atoms  Scintillators W. Riegler/CERN Scintillator Detectors 15 Να μετρήσουν την ορμή και το φορτίο των σωματιδίων . Αυτό γίνεται από συνδιασμό ανιχνευτών τροχιών και μαγνητών. Το σύστημα μαγνητών Του ATLAS Ο μαγνήτης του CMS 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Ο μεγαλύτερος μαγνήτης Oκτ 2005 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών The 1st End-Cap toroid 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Καλοκαίρι 2007 240 ton 12m diameter CMS κεντρικό κομμάτι Ανιχνευτές θέσης Να ανιχνεύσουν τις τροχιές δηλαδή ανιχνευτές ή θάλαμοι τροχιών οι οποίοι υπολογίζουν/ανακατασκευάζουν τις τροχιές των φορτισμένων σωματιδίων που τους διασχίζουν.Ένα απλοικό παράδειγμα ανίχνευσης δίνει η παρακάτω εικόνα Στους αναλογικούς θαλάμους (ΜWPC) τα ανοδικά σύρματα που βρίσκονται ανάμεσα από δυο επίπεδους καθόδους συγκεντρώνουν τα ηλεκτρόνια. Η διακριτική ικανότητα δίνεται από την απόσταση των συρμάτων (~mm) Στους θαλάμους ολίσθησης (drift) τo νέφος των ηλεκτρονίων ολισθαίνει προς την άνοδο. Η θέση της ανόδου δίνει την μία συντεταγμένη και ο χρόνος ολίσθησης (*ταχύτητα ολίσθησης) την άλλη. Amplifier: t=T E Scintillator: t=0 Ο ανιχνευτής που δίνει την καλύτερη ακρίβεια θέσης Ανιχνευτές πυριτίου : μικροί, πολλά κανάλια ¨ Αναγνώριση σωματιδίων (με ειδικευμένους ανιχνευτές εκμεταλεύονται την ιδιαίτερη «υπογραφή» των σωματιδίων ) Χρόνος πτήσης (TOF) Ιονισμός (dE/dx ,TPC) Ακτινοβολία Cerenkov (RICH) Ακτινοβολία διάβασης (TRD) Μέθοδος Ταυτοποίησης σαν συνάρτηση της ορμής Τύπος Bethe-Bloch Μετράμε dE/dx και p (μαγνήτης) -> μάζα Ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση σωματιδίου και ύλης Z2 electrons, q=‐e0 M, q=Z1 e0 Interaction with the atomic electrons. The incoming particle loses energy and the atoms are excited or ionized. 12/2/2010 Interaction with the atomic nucleus. The particle is deflected (scattered) causing multiple scattering of the particle in the material. During this scattering a Bremsstrahlung photon can be emitted. In case the particle’s velocity is larger than the velocity of light in the medium, the resulting EM shockwave manifests itself as Cherenkov Radiation. When the particle crosses the boundary between two media, there is a probability of the order of 1% to produced and X ray photon, called Transition radiation. 28 Να μετρήσουν την ενέργεια των σωματιδίων Αυτό γίνεται με τα καλορίμετρα υπολογίζουν την ενέργεια των (Θερμιδόμετρα) τα οποία ουδετέρων και φορτισμένων σωματιδίων. Συχνά τα καλορίμετρα σταματούν τα σωματίδια (απορροφούν την ενέργειά τους). Διαφορετικά είδη καλοριμέτρων χρησιμοποιούνται για ηλεκτρόνια και φωτόνια ->ηλεκτρομαγνητικά και διαφορετικά για πρωτόνια, νετρόνια -> αδρονικά Ιδιαίτερη σημασία έχει η διακριτκή ικανότητα στην μέτρηση της ενέργειας σΕ/Ε Ηλεκτρομαγνητικός καταιγισμός • Διδυμιγέννεση (γ) •Bremmsstralung (e) Ηλεκτρομαγνητικός καταιγισμός • Διδυμηγέννεση (γ) •Bremmsstralung (e)  e Ηλεκτρομαγνητικός καταιγισμός • Διδυμηγέννεση (γ) •Bremmsstralung (e) e+  ee  e+ Ηλεκτρομαγνητικός καταιγισμός e+ e+   +ee e+ e-  e e-  e-  e- e+ e+ e e+ e-  e- ee- e+ e-  e+  e- e+ e-  e+ e+  e+  ee+ Αδρονικός καταιγισμός • Σχάση πυρήνων του στόχου, K+ •Δημιουργία πολλών σωματιδίων p n + - - Αδρονικός καταιγισμός • Σχάση,διέγερση πυρήνων του στόχου, K+ p n + - - *Δημιουργία π.χ p, n, , , , ,  •Δημιουργία πολλών σωματιδίων Αδρονικός καταιγισμός e   +   e -  - K+ e + K+  -    p  K- n    + - -  e e -    e - e + • και τα καινούργια σωματίδια έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να κάνουν πυρηνικές αλληλεπιδράσεις με άλλους  πυρήνες Δειγματοληπτικά καλορίμετρα Σωλήνες Ολίσθησης του ATLAS (ανιχνευτές μιονίων) Συνήθως τα μιόνια - εκδηλώνουν την παρουσία με ένα σήμα σε ένα εξωτερικό ανιχνευτή.. ATLAS MDT R(tube) =15mm ATLAS MDTs, 80m per tube W. Riegler/CERN 38 Οι τέσσερεις διαφορετικές τεχνολογίες για τους θαλάμους μυονίων Θέση 2/12/2010 Οι ελληνικοί θάλαμοι (10%) Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών σκανδάλη Eνα Γεγονός (event) 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών e,  H  ZZ(*)  4 λεπτόνια 130 < mH < 160 GeV, 2mZ< mH < 550 GeV g t H g Z(*) Z e,  e,  e,  “το χρυσό κανάλι ” για την ανακάλυψη του Higgs στο LHC Προσομοίωση του H   Σήμα+Υπόβαθρο γνωστά σε NLO 2/12/2010 Προσομοίωση του H   ee στο ATLAS Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών mZ Τυπικό γεγονός στο LHC 30 απλά γεγονότα + H->ZZ->4μ Ρυθμός Γεγονότων στο LHC : N = L x  (pp)  109 αλληλεπιδράσεις/s Επιλογή 1/10,000,000,000,000 Προεπιλογές: Όλα τα φορτισμένα σωματίδια με |η|<2.5 2 λεπτόνια με PT > 20 GeV, |η|<2.5 + 2 λεπτόνια με PT > 7 GeV, |η|<2.5 Μάζα δύο Z λεπτονίων : συμβατή με μάζα Ζ Μάζα δύο Z* λεπτονίων : μεγαλύτερη από ένα χαμηλό κατώφλι. Επιλογές: απομόνωση + μετατοπισμένη κορυφή O(102) απόρριψη για Zbb O(103) απόρριψη για ttbar Ανακατασκευασμένα σωματίδια με PT>2 Για Αθηνών απόδοση σήματος O(90%) 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Pierre Auger Cosmic Ray Observatory :Use earth’s atmosphere as a calorimeter. 1600 water Cherenkov detectors with 1.5km distance. Placed in the Pampa Amarilla in western Argentina Ανιχνευτής AMS Θα τοποθετηθεί στον ISS Back up 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Fiber Tracking Light transport by total internal reflection Planar geometries (end cap) typ. 25 m  n1 n2 Circular geometries (barrel) core polystyrene n=1.59 cladding (PMMA) n=1.49 typically <1 mm High geometrical flexibility Fine granularity Low mass Fast response (ns) (R.C. Ruchti, Annu. Rev. Nucl. Sci. 1996, 46,281) W. Riegler/CERN Scintillator Detectors From C. Joram 46 Wire Chamber: Signals from Electron Avalanches The electron avalanche happens very close to the wire. First multiplication only around R =2x wire radius. Electrons are moving to the wire surface very quickly (<<1ns). Ions are difting towards the tube wall (typically several 100s. ) The signal is characterized by a very fast ‘spike’ from the electrons and a long Ion tail. The total charge induced by the electrons, i.e. the charge of the current spike due to the short electron movement amounts to 1-2% of the total induced charge. W. Riegler/CERN 47 Time Projection Chamber (TPC): Gas volume with parallel E and B Field. B for momentum measurement. Positive effect: Diffusion is strongly reduced by E//B (up to a factor 5). Drift Fields 100-400V/cm. Drift times 10-100 s. Distance up to 2.5m ! gas volume B drift E y x z charged track Wire Chamber to detect the tracks W. Riegler/CERN 48 O.Ullaland CERN 2005 GEMs & MICROMEGAS MICROMEGAS Narrow gap (50-100 µm) PPC with thin cathode mesh Insulating gap-restoring wires or pillars Y. Giomataris et al, Nucl. Nucl. Instr. Instr. and Meth. Meth. A376(1996)239 12/2/2010 W. Riegler, Particle Detectors GEM Thin metal-coated polymer foils 70 µm holes at 140 mm pitch F. Sauli, Sauli, Nucl. Nucl. Instr. Instr. and Methods A386(1997)531 49 Το Καθιερωμένο προτύπο των στοιχειωδών Σωματιδίων και οι αλληλεπιδράσεις τους Προβλέπει 3 οικογένειες στοιχειωδών «υλικών» Σωματιδίων Υλικά σωματίδια : Φερμιόνια, spin =1/2 e  e    q= -1 q= 0 u d c s t b q= +2/3 q= -1/3 + αντι-σωματίδια Σημείωση : -- ο κόσμος μας είναικύρια φτιαγμένος από την 1η οικογένεια.. -- m(e-) ~ 0.5 MeV, m(top)~ 178 GeV ! ηλεκτρόνια 2/12/2010 quarks Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών Αυτά τα «υλικά» σωματίδια αλληλεπιδερούν με ηλ/κές, ισχυρές και ασθενείς δυνάμεις. Αυτές οι δυνάμεις διαδίδονται μέσω της ανταλαγής στοιχειωδών σωματιδίων, των φορέων e e  e e Φορείς δυνάμεων : Μποζόνια, spin=1 Σωματίδιο Coupling (E~100 GeV) Δύναμη EM e+ (charged particles) e-  W, Z Ασθενής e-   EM e (q, , W, Z) 8g Ισχυρή (q, g) 2/12/2010 Wq q e2   0.008 4 g2  0.03 W  4 Μάζα 0 ~ 100 GeV Ενταση ~ 10-1 ~ 10-5 2 g g  s  s  0.12 4 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών 0 1 Σχετική με την ισχυρή Τα βασικά στρώματα ενός ανιχνευτή στο LHC  Θάλαμοι μυονίων µ Αδρονικό θερμιδόμετρο Ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο e,  n p Εσωτερικός ανιχνευτής 2/12/2010 Χ.Κουρκουμέλη,Παν/μιο Αθηνών