Aceleradores e Princípios de Detecção de Partículas. 12 / Nov. / 2009 algumas imagens de Oliver Brüning/CERN, Fernando Barão/LIP, CERN Photo archives

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Joaquim Monteiro Borja
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1 Aceleradores e Princípios de Detecção de Partículas 12 / Nov. / 2009 algumas imagens de Oliver Brüning/CERN, Fernando Barão/LIP, CERN Photo archives

7 Breve história dos aceleradores CERN 1928: Cockcroft-Walton E = 800 kv ELECTROSTÁTICO CERN

8 : Ernest Lawrence 1.2 MeV 80 kev Campo Variável

9 1935 Van der Graaf E = 10 MeV ELECTROSTÁTICO

10 1935 Van der Graaf Tandem E = 29 MeV ELECTROSTÁTICO

11 Sincrotrão 1949 electrões, 1952 Cosmotrão (p, 3 GeV), 1955 Bevatrão (p, 6 GeV) Descoberta do anti-protão! Campo Variável Aceleração por RF (crista da onda)

12 LINAC Campo Variável CERN LINAC - 1 CERN LINAC - 2 E = 600 MeV até 45 GeV (SLAC)

13 Associação de Aceleradores!

14 Aceleradores em HEP(*) Nota: Alvo fixo: Colisionador: (*) High-Energy Physics

17 The Large Electron Positron collider dl ep Aleph = 26.7 km s = GeV Opal e+ Delphi L3 e CERN 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 17/64

18 LEP 12 Years of Events per expt.: ~4 MZ s, 10 k WW s LEP-1: LEP-2: s 2M W RUN 323 Event 517 Z qq - 14 Aug 1989 RUN Event 8483 (W + W - 4q at 209 GeV ) 19 Apr st Z Not_the_last WW 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 18/64

19 LEP = Z and W ± Factory Probability e + e hadrons LEP design limit 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 19/64

20 4 Experiments ALEPH L3 OPAL 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 20/64

21 Advantages of LEP(1+2) for QCD Collider e + e => No partons in initial state! to mess up with the fragmentation in the final state! Energy well determined (and range GeV!) Studies with c.m.energy performed in the same experiments! Observables Cleaner and Easier to measure. Count and measure objects easily reconstructed It can be made with data samples of modest size. Statistical Errors on means scale with Smaller hadronization corrections at higher energies Four Experiments (with very different detectors) And there are very large datasets! (4 MZ s + 10 k W + W s)/expt. 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 21/64

22 The phases of the process e + e hadrons Time 5 1 Electroweak Process Well determined, calculable 2 Perturbative QCD DATA Acquired at the end of phase 5! To infer properties in previous phases, needs to be corrected via MC Simulation. Matrix Element + Parton Shower 3 Hadronization 5 THE Detectors 4 Decays of Unstable Hadrons From data tables (spectroscopy) Phenomenological models to transform partons into final state hadrons 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 22/64

23 The four LEP Experiments Shopping List ALEPH DELPHI L3 OPAL Magnet(*) SC, 1.5T SC, 1.25T NC, 0.7T NC, 0.5T Vertex Det. s Aft yes yes yes Tracking Large TPC(**) TPC(**) Silicon Det. Jet Chambers E.M. Calorimetry Had. Calorimetry Particle Id Standard Instrumented Return Yoke Vertex+dE/dX TPC-like+ lead + PbWO Crystals Instrumented Return Yoke Vertex+dE/dX + Cherenkov angle BGO Crystals Small, standard Vertex+dE/dX Main Feature Track resolution Particle Id E.M.Calorimetry Standard Instrumented Return Yoke Vertex+dE/dX Safe Technol., Results/Cost (*) Magnet can be Super-Conducting (SC) or Normal Conducting (NC) (**) TPC = Time Projection Chamber = gaseous drift chamber as a tracking detector 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 23/64

24 The DELPHI Detector(s) hadr. calorimetry e.m. calorimetry cherenkov tracking vertexing muon chambers +symmetrical cover 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 24/64

25 The DELPHI Collaboration July 2001 In front of the Barrel set of detectors, after the shutdown of the accelerator 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 25/64

26 LEP-1 experimental techniques is based on displaced vertices IP = Impact Parameter (signed) IP<0 IP>0 resolution 2nd vertex+ resolution s = IP/error 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 26/64

27 b tag: Classifying evts. w/ b quarks Efficiency.vs. Purity b quarks live longer (~1.6 ps)! working point B hadrons travel more (>~3 mm)! 12/Novembro/2009 Pedro Abreu Aceleradores e Detectores 27/64

28 Collisions at LHC

29 pp Cross section & Min Bias

30 Higgs decay in 4 muons

31 The next step at hadron colliders Challenges at LHC: - Detectors - Experiments - Event selection

32 LHC pp experiments ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS CMS Compact Muon Solenoid µ µ

33 LHC Ion-Ion collision and B-decay experiments

34 Detectors at LHC

35 Configuração de Detectores

36 Casos reais STIC- Calorímetro Electromagnético Câmara de fios (tracker ) Calorímetro Hadrónico TPC UA1

37 Câmara de Projecção Temporal acontecimento funcionamento TPC

38 Detectores de Silício Outros detectores modernos: Pixel s/silício GEM s RPC s MSGC s

41 O Princípio de detecção dos Calorímetros Mecanismo básico em calorimetria: Formação de cascatas electrómagneticas Formação de cascatas hadrónicas Transformação da energia da cascata em: Ionização ( carga) Excitação (cintilação e luz de Cerenkov) Método destrutivo, i.e., Partícula e energia são absorvidas. Resposta do detector ~ E funciona para partículas carregadas (e ± e hadrões) em complementaridade às medidas de momento p funciona para partículas neutras (n, fotões) única forma de obter directamente informação da cinemática de partículas neutras

42 Cascata electromagnética A baixas velocidades Energia crítica Para energias elevadas dos fotões/electrões incidentes, desenvolve-se uma cascata electromagnética ( E>>E c ): (e eγ;) γ ee; e eγ; γ ee; e eγ;...

43 Calorímetros homogéneos Toda a energia absorvida no detector é detectada, ex: crystal calorimeters (calorímetro electromagnético de CMS (PbWO 4 ): sinal Fotodíodo Crystal (BGO, PbWO 4, )

44 Calorímetro electromagnético de CMS 10m 3 crystals barrel crystals" endcap crystals"

45 Calorímetros homogéneos Cal. E.M. CMS

46 Calorímetros de amostragem O material activo (menos denso) é intercalado com um material absorvedor muito denso: O que se detecta é uma fracção da energia absorvida, proporcional à energia incidente das partículas (ex: calorímetro electromagnético de ATLAS, todos os calorímetros hadrónicos em LHC) mas tem de ser calibrado com feixes de energia conhecida!!! Blocos densos, por ex., feitos de chumbo Detectores - câmaras de fios e cintiladores

47 Calorímetros de amostragem

48 Calorimetros de ATLAS Tile barrel Tile extended barrel LAr hadronic end-cap (HEC) LAr EM end-cap (EMEC) LAr EM barrel LAr forward calorimeter (FCAL)

49 DELPHI RICH Cherenkov Dets.

50 DELPHI Particle IDentification Sonho: Realidade:

51 DELPHI Protões em eventos-b

52 Particle ID. DELPHI e os outros... Piões Kaões Protões

53 DELPHI decaimentos Λ p + π

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