Lezione 18
Identificazione di particelle
L’identificazione di particelle è un aspetto importante negli esperimenti di fisica
delle alte energie.
Alcune importanti quantità fisiche sono accessibili soltanto con una sofisticata
identificazione del tipo di particella: fisica del B, violazione di CP, decadimenti
esclusivi e rari.
Generalmente si vuole discriminare: p/K, K/p, e/p, g/p0 …..
Il metodo di identificazione usato dipende fortemente dalle energie implicate.
A seconda del particolare processo di fisica sotto studio bisogna ottimizzare o
l’efficienza o la mis-identificazione:
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Identificazione di particelle
Why particle ID ?
DELPHI
Un decadimento del B
1K+2p
in final state
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Identificazione di particelle
Who is who ?
dE/dx : misura di g
RICH: contatori
Cerenkov (misura di b)
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Identificazione di particelle
Per identificare una particella carica (massa e carica) dobbiamo usare
2 diversi dispositivi, in quanto dobbiamo determinare 2 quantità.
L’impulso della particella è, in generale, determinato dalla deflessione
della particella in un campo magnetico.
Noto l’impulso e la carica devo eseguire un’altra misura per
determinare la massa.
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Identificazione di particelle
Metodi:
Tempo di volo
dE/dx
Radiazione di transizione
Čerenkov
K
p
p
m
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Identificazione di particelle
Tempo di volo (TOF).
Necessaria un’ottima risoluzione temporale ( 300ps sono facilmente raggiungibili con dei
contatori a scintillazione).
start
stop
Se 2 particelle di massa m1 ed m2 hanno lo stesso impulso e percorrono la stessa
distanza L la differenza di tempo t1-t2=Dt sarà :
Dt 



L 1
1  L
Lc
 
 
1  m12c 2 / p 2  1  m22c 2 / p 2  2 m12  m22
c  b1 b 2  c
2p

Si sono assunte particelle relativistiche ( E~pc ovvero mc2<<pc) e si è sviluppato in serie fermandosi
al primo ordine.
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Identificazione di particelle
usando scala logaritmica:
Lc
ln Dt   ln m  m   ln
2 p2
2
1
2
2
Dt for L = 1 m di lunghezza di traccia
con L=3m e separazione di
4s separazione p/k fino a 1
GeV/c. (st = 300 ps)
st = 300 ps
p/K separation up to
1 GeV/c (1s)
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Identificazione di particelle
Esempio: CERN NA49 (Ioni Pesanti)
detail of the grid
TOF requires fast detectors (plastic
scintillator, gaseous detectors), approporiate
signal processing (constant fraction
discrimination), corrections + continuous
stability monitoring.
Small, but thick scint.
8 x 3.3 x 2.3 cm
Long scint. (48 or 130 cm),
read out on both sides
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Lezione 18
Identificazione di particelle
From g conversion
in scintillators
System resolution
of the tile stack
CERN NA49 (Ioni Pesanti)
Trel. = T / Tp
L = 15 m
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Identificazione di particelle
CERN NA49 (Ioni Pesanti)
Ma NA49 ha anche delle TPC  identificazione di particelle anche con dE/dx
NA49 combined particle ID:
TOF + dE/dx (TPC)
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Identificazione di particelle
dE/dx
p  m0 bgc

dE
1
 2 ln b 2g 2
dx b
e
m
p

Con misure simultanee di p e dE/dx
trovo la massa della particella e
quindi identifico il tipo di particella.
p/K separation
(2s) requires a
dE/dx resolution
of < 5%
K
p
Average energy
loss for
e,m,p,K,p in
80/20 Ar/CH4
(NTP)
(J.N. Marx, Physics today,
Oct.78)
Grosse fluttuazioni+
code di Landau
La misura si esegue in un
gas per ridurre l’effetto
densità.
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Lezione 18
Identificazione di particelle
• Chose gas with high specific ionization
• Divide detector length L in N gaps of thickness T.
• Sample dE/dx N times
1 wire
4 wires
(B. Adeva et al., NIM A 290 (1990) 115)
L: most likely
energy loss
A: average
energy loss
calcolare media troncata,cioè
ignora i campioni con conteggi
troppo elevati (e.g. 40%)
(M. Aderholz, NIM A 118 (1974), 419)
Don’t cut the track into too
many slices !
There is an optimum for each
total detector length L.
aumentare la pressione del
gas,ma attenzione effetto
densità.
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Lezione 18
Identificazione di particelle
Esempio : TPC di ALEPH
Gas: Ar/CH4 90/10
log scale !
Npunti=338, spaziatura dei fili 4mm
Risoluzione di dE/dx: 4.5% per i
Bhabha, 5% per i MIP.
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Lezione 18
Identificazione di particelle
dE/dx puo’ anche essere misurato con apparati al silicio
Esempio: Microvertice di DELPHI (4x300 mm di silici)
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Lezione 18
Identificazione di particelle
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Lezione 18
Identificazione di particelle
Conteggio dei cluster
Vantaggio: i cluster fluttuano alla Poisson
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
Ricordiamo:
 Energia irraggiata per ogni superficie di separazione medium/vacuum
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W   pg
3
N ee2
p 
 0 me
W g
 plasma

 frequency

  p  20eV (plastic radiators)

 Numero di fotoni emessi per superficie di separazione è piccolo
N ph 
W
1
 

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Servono molte superfici di separazione  costruire una pila di fogli separati da un sottile strato di aria
 I raggi X sono emessi con un massimo a piccoli angoli
q1/g
 la radiazione sta vicino alla traccia
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
 Spettro di emissione della radiazione
Energia tipica
  14  pg
 Fotoni di alcuni KeV
(Dai 3 ai 30 KeV)
• Spettro di emissione
(simulato) di un foglio di
CH2
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
Contatori a radiazione di transizione
 Radiatore:
 il meglio è il Litio, ma fortemente igroscopico
 Gruppi di fogli di CH2 sono i preferiti (basso costo, sicuri, facili da fare)
Materiale a basso Z  piccolo riassorbimento (≈ Z5 )
R
D
R
D
R
D
sandwich of radiator stacks and
detectors
 minimize re-absorption
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Lezione 18
Spessore dei fogli di CH2 ~20 mm (zona di
formazione). Le gap di aria devono essere ~
1mm. Se i fogli e le gap sono << della
lunghezza di formazione  segnale
fortemente diminuito per effetti di interferenza
Neff
zona di formazione
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
Parte della radiazione è riassorbita
il numero di fogli è limitato
basso Z  minore riassorbimento.
(fogli di litio o berillio)
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
Detector
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
Una possibile geometria (schematica)
Possibili 2 modi di lettura:


Metodo della carica. Si integra tutta la carica raccolta per TR e dE/dx ( al di sopra di
una certa soglia). Si applicano dei tagli per le particelle con solo dE/dx.  limitato dalle
code di Landau.( metodo principalmente usato)
Conteggio dei cluster. Si identificano i singoli cluster di ionizzazione primaria. Si
contano i cluster al di sopra di una certa soglia. Minor fondo (il numero di cluster è
distribuito alla Poisson), ma serve elettronica veloce e geometria speciale delle camere
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
ATLAS Transition Radiation Tracker
A prototype
endcap “wheel”.
X-ray detector:
straw tubes (4mm)
(in total ca.
400.000 !)
Xe based gas
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Lezione 18
Contatori a radiazione di transizione (TRD)
TRT protoype performance
Pion fake rate
at 90% electron
detection efficiency:
p90 = 1.58 %
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