Detectores de Partículas: Tiago dos Anjos

Transcrição

1 Detectores de Partículas: Uma Introdução ao CMS Tiago dos Anjos

2 Sumário Aceleradores Circulares LHC O Detector CMS - Sistema de Trajetórias - Detector de múons - Calorímetro Eletromagnético - Calorímetro Hadrônico 2

3 Sistema de Trajetórias Objetivos: Registrar os caminhos tomados por partículas carregadas, encontrando as suas posições em uma série de pontos- chave. caminhos registrados + eletrônica = cálculo do momento da partícula e suas projeções. 3

4 Variáveis cinemáticas Plano X-Y Plano Y-Z p y p y p t p x y p z Momento Transversal: Massa Transversal: p m T T = = p m 2 x p p 2 y 2 T Rapidez: Pseudo-Rapidez: y = η= E ln( E ln( p p + + p p p p z z z z ) ) 4

5 Partes do Tracker de Pixel Pixel -barril: 3 camadas, 2 meio-cilindros/camada, (meias-) escadas formam camadas, 8 módulos por camada. Pixel -forward: 2 discos em cada lado, 24 lâminas por discos, 7 módulos de tamanhos diferentes em cada lâmina. 5

6 Detector Interno de Pixel Tamanho de uma caixa de sapatos, 66 milhões pixels de 100 x 150 µm 2 cada, (seção reta de um cabelo humano) e 75 milhões de canais de leitura eletrônica. Mais próximo do feixe : recebe o maior volume de partículas. Varre uma região angular tal que -2.5 <η<2.5. Reconstrução tridimensional dos vértices, tanto o primário como secundários, decaimentos de partículas contendo o quark b bem como do léptonτ. Altas luminosidades, boa resolução espacial : separa vértices primários. 6

7 Semicondutores Isolante Condutor Semicondutor 7

8 Semicondutores É preciso dopar o semicondutor para que ele se torne um condutor. Para isso, substitui-se átomos de silício por outros átomos que sejam doadores (Fósforo, arsênico) ou aceitadores (boro) de elétrons. Doador Receptor tipo-n tipo-p 8

9 Junção n-p A dopagem por doadores é chamada tipo n (carga negativa livre), enquanto a dopagem por aceitadores é de tipo p (carga positiva livre). Ao juntarmos dois cristais com dopagens distintas temos uma junção n-p, que rega uma diferença de potencial capaz de atrair elétrons gerados no espaço entre a junção. Tipo-P Tipo-N Região Depletada 9

10 Amplificação Física do Pixel do Sinal Pixel interage com a partícula ou radiação a ser medida. 10

11 Física do Pixel 11

12 Física do Pixel 12

13 Física do Pixel 13

14 Física do Pixel ADC O sinal analógico é coletado pela eletrônica de frente, amplificado (pré-amplificação), formatado (shapping), digitalizado (ADC). 14

15 Módulo do detector de micro fitas 15

16 Detector de micro fitas Tracker -barril interno (TIB): 4 camadas, cada uma dividida em 4 cascas (z > (<)0 e partes superior e inferior). Cascas divididas em cordas, 3 módulos por corda. Tracker -disco interno (TID): 6 estruturas de disco idênticos, módulos arranjados em 3 anéis. Tracker -barril externo (TOB): 6 camadas, cada camada constituída de bastões com 6 módulos por bastão. Tracker EndCap (TEC): 9 discos, cada um constituído por 8 pétalas.em cada pétala os módulos são agrupados em anéis. Contribui para um aumento da resolução espacial e melhora a medida de momento. 9,6 milhões de tiras de silício com dimensões de 10 cm x 80 µm, localizadas na região entre 20 e 50 cm do ponto de interação. 16

17 Diferentes módulos 17

18 TEC 18

19 TIB 19

20 TOB 20

21 TOB TOB com com TIB TIB dentro dentro 21

22 Sistema de Múons 22

23 Localização no CMS 23

24 Sistema de múons Câmaras de Tubos de Arrasto (Drift Tubes ) DT Câmara de Fitas Catódicas (Cathode Strip Chamber ) CSC Câmara de Planos Resistivos Paralelos (Resistive Paralel plane Chamber) -RPC 24

25 O Múon Fermion (spin ½ ), Lepton, carga = -e, Meia Vida 2,2 µs. Massa 105,7 MeV = 207 m e Descoberto: 1936, Carl. D. Anderson Raios Cósmicos : Decaimento π ± µ ± + ν µ µ e + ν + ν, + + µ e + ν + ν e e µ µ Decaimento no CMS : H Z Z 4( µ ou e - ) 25

26 Partículas no detector 26

27 Detecção do Múon no CMS Por que CMS? O detector foi construído de forma a otimizar medidas precisas de múons: Identificação rápida e eficiente de múons no Sist. De Múons. Medidas de múons em três partes do detector : Tracker, Sistema de Múons (saída do solenóide) e no fluxo de retorno (?). Por que os múons? Partícula relativamente estável; Léptons: atravessam ambos calorímetros (determinação mais simples do momento) Assinatura clara de eventos de física importante. Medidas de Múons pode ser usado para trigger. 27

28 Partes do Sistema de Muons Drift Tubes - DT: 250 câmaras no região do barril (MB1, 2, 3 e 4) (-1,2 >η >1.2), cobertas de ferro (externo ao solenóide). Um fio central age como anodo; passagem do múon libera elétrons que são atraídos para o fio central. Resolução da ordem de 200 µm, com uma precisão em φ melhor que 100 µm em posição e 1mrad em ângulo. 28

29 Drft Tubes - DT 29

30 Cathode Strip Chamber- CSC Cathode Strip Chamber CSC: 468 CSC s nas tampas, 6 sub-camadas (ME 1,2,3,4,5 e 6) com gás, Múon ioniza o gás em cada plano, produzindo cargas nos fios de anodos Resolução espacial de 200µm e angular de 10mrad. 30

31 Funcionamento e Posicionamento do CSC 31

32 Resistive Paralel Plane Chamber Resistive Paralel plane Chamber -RPC: Complementa as câmaras DT e CSC s até -1,6 >η >1,6. Plástico de alta resistividade elétrica (baquelite). Resposta mais rápida que as demais câmaras. Usado apenas para trigger. Um múon pode cruzar as RPC s e as DT, produzindo 44 pontos no sistema de múons. - RPC 32

33 Como Reconstruir o evento Reconstruir a trajetória das partículas carregadas. Pseudo-Rapidez: para y = η = p 1 E + p z ln( ln( >> E p p [ tan( 2) ] η = ln θ m temos que + p p p z z z ) ) = 33

34 Com campo magnético F = qv B = m v r 2 B v r = m = qb p qb Combinando a informação do momento transversal com o momento total, é possível obter o momento longitudinal e a rapidez da partícula. 34

35 Vértice Primário B Quanto melhor for a resolução em posição dos pontos medidos, ou menor a distância de projeção, melhor será a precisão com que poderá se determinar a posição do vértice primário. 35

36 Ajuste Reconstrução dos pontos medidos. Agrupamento dos pontos Ajuste da trajetória Verificação do Ajuste Cálculo do momento e projeção. B 36

37 Referências Pereira A.V, dissertação de mestrado, Estudo de produção difrativa de top-anti-top no CMS/LHC, UERJ. Amaral S.M.S, dissertação de mestrado,dupla Difração no LHC/CMS,UERJ SPRACE, slides de curso de inverno, Aceleradores e Detectores. Tomei. T, slides. O Experimento do CMS Alessia Tricomi, University and INFN Catania, Performance of ATLAS & CMS Silicon Tracker Lutz Feld, Physicalisches Instituit, RWTH Aachen, The CMS Silicon Tracker Paollo Azzurri, Scuola Normale Superiore Italy, The CMS Silicon strip Tracker, Journal of Physics: Coference Series 41(2006) The CMS Tracker Technical Design Report, CERN/LHCC 98-6 CMS TDR 5 Addendum to the CMS Tracker TDR, CERN/LHCC Jun Takahashi, slides da VI Escola do CBPF, Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias, IFGW-UNICAMP. Larano. A, Slides, U. Of Wisconsin & INFN LNF, Gaseous detectors in CMS Readiness for operatons at LHC. Lutz Feld, Physicalisches Instituit, RWTH Aachen, The CMS Silicon Tracker Gracía. M. F, IF de Cantabria, Spain,, CMS Muons System Status, Journal of Physics: Coference Series 110(2008) 1-3. The CMS Collaboration, The muon system, CERN/LHCC

38 Figuras Extras (tracker) 38

39 Figuras Extras (instalação das tiras) 39

40 Figuras Extras (relação entre os tamanhos das tiras do tracker) 40

41 Barril Sist. Múons (Extra) 41

42 DT (Extra) 42

43 CSC (Extra) 43

44 RPC (Extra) 44