Aceleradores e Detectores

Transcrição

1 Aceleradores e Detectores São Paulo Regional Analysis Center

2 Como explorar o mundo sub-atômico? 1910 Rutherford α Tevatron, Fermilab 2008 LHC, CERN 2012 ILC,?... 2

3 Por que altas energias? de Broglie: h 1.2 fm λ ւ = = p ր p[ GeV] Einstein: E = p c +m c E ր = mր c 2 Aceleradores de partículas a altas energias Pequenas distâncias são exploradas Novas partículas são produzidas 3

4 Aceleradores Uma corrida para as profundezas

5 Alvo Fixo X Colisor Alvo Fixo ET prótons 1/2 2 = 2mAlvoc E Feixe 43 GeV Alvo E Feixe= GeV Colisor prótons E = 2E GeV T Feixe prótons 5

6 Alvo Fixo X Colisor Energia Relativística (~ TeV) E = m c +m c +2 E E Alvo Fixo ( p. p2c ) T (altas energias) 1/2 E =E, E =m c, p 1 F 2 A 2 2 = 0 E T = 2m c A 2 E F 1/2 Colisor E =E, E =E, p = -p E /c 1 F 2 F 1 2 F E = 2E T F 6

7 Acelerador Linear Partículas carregadas e estáveis são aceleradas Energia é limitada apenas pelo comprimento Alvo fixo: feixe se perde após s a colisão Fonte Iônica Oscilador RF Envólucro de Cobre 7

8 Stanford Linear Collider (SLC), SLAC 8

9 Aceleradores Circulares Magnetos de Dipolo Órbita Circular Magnetos de Quadrupolo Focalização do feixe N S S N Cavidade de RF Aceleração 9

10 Synchrotron Soleil Quadrupolo Dipolo Cavidade RF 10

11

12 Tevatron, Fermilab Chicago Fundado em 1968 Primeiro feixe 1972 (200 e 400 GeV) Upgrade 1983 (900 GeV) Upgrade 2001 (980 GeV) CDF p DØ Síncrotron com R = 1 km Tevatron p 36 proton/antiproton / grupo 27 (7.5) X nucleons / grupo 396 (IIb: 132) ns entre colisões Antiproton Injetor Recycler Interação: CDF & DØ Ecm = 1.96 TeV. 12

13 Componentes do Tevatron 13

14 Círculo em azul: LHC em tamanho real 14

15 LHC, CERN Compact Muon Solenoid Estudo de Colisões Próton-Próton CMS Alice A Large Ion Collider Experiment Estudo de Colisões de Íons Pesados SPS LEP - LHC ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS Estudo de Colisões Próton-Próton PS LHCb Estudo da violação de CP no decaimento de mésons B 15

16 Colisões no LHC Proton km Raio 7 TeV Energia do Feixe cm -2 s -1 Luminosidade 2808 Grupos / Feixe Protons / Grupo 7.5 m (25 ns) Cruzamento dos Grupos Hz Proton colliding beams Colisão dos Prótons 10 9 Hz Colisão dos Pártons Produção de Novas Partículas 10-5 Hz (Higgs, SUSY,...) p µ + µ - Z H µ + µẕ Seleção de 1 evento em 10 trilhões p p q q ~ 0 χ 2 e - q~ g ~ ~ q ν e χ 1 - q p µ + µ χ~

17 Energia do LHC O que significa 7 TeV? 1 ev ~ 1,6 X C X 1V = 1,6 X TeV = 1,1 x 10-6 J Comparar com energias do dia a dia No entanto a energia do Feixe é: 19 J E feixe = x 1,1 x x 7 TeV = 3,4 x 10 8 J Comparar com energias do dia a dia

18 Detectores Enxergando o que os olhos não vêem

19 Detectores: Objetivos x η= -log tan θ/2 φ z y Identificar a partícula (Q, m). Determinar a trajetória. ria. Medir a energia e momento Processamento de dados rápido e eficiente η φ 19

20 Detecção de Partículas Detecção de partículas: interação das partículas com objeto macroscópico. Interação eletromagnética tica Eventos envolvendo fótons, elétrons, outras partículas carregadas. Interação forte Eventos envolvendo hádrons. Regimes de energia: diferentes processos. Excitação e ionização Bremsstrahlung Efeito fotoelétrico trico Espalhamento Thompson e Compton Produção de pares Processos nucleares 20

21 Interações de Partículas Carregadas Ionização e Excitação Interação de partícula carregada com elétrons do meio Importante a baixas energias. Aproximação de Born para m proj >> m alvo de 2Z 1 1 2mc max 2 ( ) 2 ln e β γ T δ βγ = Kz β 2 d( ρx) Aβ 2 I 2 K 4πN α m 2 A = e 0.31 mol MeV cm

22 Para caso de elétrons: modificação na fórmula f de ionização (m e ): 2 de Z 1 γmc 1 2 ln e β γ = K d( ρx) Aβ + 2I E c E c Energia crítica Ec : divisão entre regime de ionização e regime de radiação. 610 = MeV (sólidos) Z = MeV (fluidos) Z

23 Interações de Elétrons Bremsstrahlung Radiação devida ao espalhamento coulombiano. Espalhamento com e-e ou núcleos n do meio Aproximação de Weizsäcker cker-williams: : no referencial do projétil, campo do alvo é uma fonte de fótons f reais dσ A de E y+ y dk X N k 3 3 d x X ( ρ ) 0 A 0 X 0 = 716.4A ( + 1) ln( 287 / Z) Z Z g/cm 2 23

24 Efeito Fotoelétrico trico Átomo + γ íon+ e - Interações de FótonsF Dominante a baixas energias. Teoria de perturbação não-relativ relativística. 1/ K 8π 32 α Z σ photo ε me Efeito Compton e - + γ e - + γ ~, com ε= Importante a energias intermediárias rias (cerca de 1 MeV). Eletrodinâmica Quântica. Soma incoerente sobre elétrons do átomo. E m γ e 24

25 ε -7/2 ln ε / ε cte Produção de pares Dominante a altas energias. Relacionado com bremsstrahlung (crossing). dσ A 4 = 1 x( 1 x) dx X N 3 0 A x= E / k, onde k é a energia do fóton incidente e E a energia transferida para o par σ pares 7 A = 9 X N 0 A 25

26 Interações Nucleares Essencialmente processos inelásticos Ordem de grandeza: σ a nuc N πa 1 fm 2 N 30 mb, Raio do núcleo n Estimado a partir da física f nuclear: R ra, r 1.16 fm 1/3 0 0 Seção de choque ~ R 2 Dependência com A 2/3 26

27 Tipos de Detectores Interação diferente para cada tipo de partícula. Medidas destrutivas e não-destrutivas. Momento p: Raio de curvatura em campo B Energia E: Interações sucessivas depósito completo da energia no meio Carga q Sentido da curvatura em campo B Massa m (E 2 = p 2 + m 2 ) Energia faltante E 27

28 Medidas não-destrutivas Medida de momento Campo magnético uniforme B = B 0 z. E = 0 conservação de energia. Módulo da velocidade é constante: dp dv F= qv B= = γm, dt dt 2 v lembrando que aceleração centrípeta é e considerando 2 r v p = rqb qvb= γm r v B 28

29 Detectores de Trajetória ria Cintiladores plásticos (~ cm) Câmera de Fios (~ mm) Faixas de Silício (~ µm) Conceito: detector de elementos discretos, sensíveis à posição da partícula. Cálculo da trajetória ria e de a t Pulsos elétricos enviados para a eletrônica e digitalizados. Raio de curvatura no campo magnético é proporcional ao momento das partículas Semicondutores par elétron lacuna medida de corrente. Câmaras de fios (MWPC, drift chamber,, TPC). Eletrônica formação e tratamento de sinal. Computação ajuste de trajetória. ria. 29

30 Medidas Destrutivas Medida da energia total de uma partícula. Altas energias diferentes regimes até absorção total. Fótons: Produção de pares Compton Efeito Fotoelétrico. Elétron: Bremsstrahlung Ionização / Excitação. Hádrons: hádron + núcleo hádron + núcleo + píon. Produção de cascatas (eletromagnética tica e hadrônica). 30

31 Cascatas Calorimétricas Modelo para cascatas eletromagnéticas: ticas: Elétrons Metal pesado Cintilador plástico 1 bremsstrahlung / X 0 Fótons 1 par e+ e- / X 0 Dobro de partículas a cada X 0 Quantidade de fótons f é proporcional ao número n de partículas que radiam Número de partículas é proporcional à energia da partícula que entrou no calorímetro. Foto multiplicador 31

32 Detector hermético. Dimensão D >> X 0 perda total da energia. Absorvedor (perda de energia) + cintilador (amostragem). Fibras óticas fotodetectores sinal elétrico. Eletrônica e software. e -, γ e hádrons. E t 0 partícula invisível. vel. Granularidade redundância Calorímetros 32

33 Magnetos Solenóide Delphi, CDF, CMS Campo intenso e homogêneo Campo de retorno fraco Toróide Atlas Campo intenso mas não homogêneo Sempre perpendicular ao momento 33

34 Detectores: Projeto Como fazer um detector de propósito geral? Capaz de detectar todos os tipos de partículas. Medidas redundantes. Medidas destrutivas após s as não-destrutivas. Possível projeto: Jato de hádrons detector de trajetória, ria, calorímetro hadrônico. Elétrons detector de trajetória, ria, calorímetro EM. Fótons calorímetro EM. Partículas de vida curta detector de trajetória*. ria*. Partículas carregadas massivas estáveis detector de trajetória ria após s calorímetro. E t faltante calorímetros herméticos. 34

35 Detectores: Componentes Trajetória Calorímetro Eletromagnético Calorímetro Hadrônico Sistema de Muons Fótons Elétrons Hadrons Muons Neutrinos E i E f 35

36 Partículas e Componentes do Detector Partícula Tracker ECAL HCAL Muon Fóton Absorvido W Desintegra Z Desintegra Elétron Trajetória Absorvido Múon Trajetória Trajetória Tau Desintegra* Neutrino Píon (+/-) Trajetória Absorvido Píon (neutro) Absorvido Próton Trajetória Absorvido Nêutron Absorvido Charm-type Desintegra* Bottom-type Desintegra* *Deixa traço no detector de pixel. 36

37 Detector DØD 5 andares de altura 20 metros de comprimento toneladas canais de eletrônica km de fios Software: 622 Pacotes 5,3 GB executável 1,8 GB de bibliotecas

38 Detector DØD e Collision Hall Fevereiro

39 DØ Roll in 39

40 Detector CMS Sistema de Trajetória ria Peso: ton Diâmetro: 15,0 m Comprimento: 21,5 m Campo Magnético: 4 T Calorímetro Eletromagnético tico Calorímetro Hadrônico Câmaras de MúonsM 40

41 CMS 41

42 42

43 Calorímetro Hadrônico HCAL Calorímetro Eletromagnético ECAL Magneto Tracker Câmaras de Múons 43

44 Partículas no Detector CMS Versão animada em 44

45 Conclusão Aceleradores de partículas são responsáveis por uma grande parte do nosso entendimento sobre a estrutura da matéria Aceleradores existentes hoje (SLAC, HERA, Tevatron) Física na escala de GeV. LHC TeV. Detectores de partículas de propósito geral permitem uma exploração extensiva. Entendimento dos detectores entendimento das interações das partículas com os detectores. Medidas redundantes aumentam a qualidade dos dados. Experimentos como DØ, D, CMS cumprem todos esses requisitos. 45