Aceleradores e Detectores
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Aceleradores e Detectores São Paulo Regional Analysis Center Introdução à Física de Altas Energias SPRACE Como explorar o mundo sub-atômico? – 1910 Rutherford α – ... – 1995 Tevatron, Fermilab – 2008 LHC, CERN – 2012 ILC, ? – ... Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 2 Por que altas energias? de Broglie: 1.2 fm h λ ւ= = pր p [ GeV ] Einstein: E= p2 c 2 +m2 c 4 E ր = m ր c2 – Aceleradores de partículas a altas energias • Pequenas distâncias são exploradas • Novas partículas são produzidas Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 3 Aceleradores Uma corrida para as profundezas Introdução à Física de Altas Energias SPRACE Alvo Fixo X Colisor Alvo Fixo prótons ET 1/ 2 2 = 2 m Alvo c EFeixe ≅ 43 GeV Alvo Colisor EFeixe = 1.000 GeV prótons prótons ET = 2 EFeixe ≅ 2.000 GeV Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 5 Alvo Fixo X Colisor – Energia Relativística (~ TeV) 2 1/2 2 4 2 4 E T = m1 c +m2 c + 2 E1 E2 − p1 .p2 c ( ) (altas energias) – Alvo Fixo E1=EF , E2 =mA c2 , p2 =0 1/2 2 E T = 2 mA c EF – Colisor E1 =EF , E2 =EF , p1 =-p2 ≅ EF /c E T = 2 EF Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 6 Acelerador Linear Partículas carregadas e estáveis são aceleradas – Energia é limitada apenas pelo comprimento – Alvo fixo: feixe se perde após a colisão Fonte Iônica Envólucro de Cobre Oscilador RF Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 7 Stanford Linear Collider (SLC), SLAC Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 8 Aceleradores Circulares Magnetos de Dipolo – Órbita Circular Magnetos de Quadrupolo S N – Focalização do feixe ⊗ S N Cavidade de RF – Aceleração Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 9 Synchrotron Soleil Quadrupolo Dipolo Cavidade RF Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 10 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE SPRACE Tevatron, Fermilab Chicago ↓ • • • • • • • • • • Fundado em 1968 Primeiro feixe 1972 (200 e 400 GeV) Upgrade 1983 (900 GeV) Upgrade 2001 (980 GeV) Síncrotron com R = 1 km 36 proton/antiproton / grupo 27 (7.5) X 1010 nucleons / grupo 396 (IIb: 132) ns entre colisões Interação: CDF & DØ Ecm = 1.96 TeV. Introdução à Física de Altas Energias p DØ Tevatron p CDF Antiproton SPRACE Injetor Recycler 12 Componentes do Tevatron Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 13 Círculo em azul: LHC em tamanho real Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 14 LHC, CERN Compact Muon Solenoid Estudo de Colisões Próton-Próton CMS LEP - LHC Alice A Large Ion Collider Experiment Estudo de Colisões de Íons Pesados SPS ATLAS PS A Toroidal LHC ApparatuS Estudo da violação de CP no decaimento de mésons B Estudo de Colisões Próton-Próton Introdução à Física de Altas Energias LHCb SPRACE 15 Colisões no LHC 4.245 km 7 TeV 1034 cm-2 s-1 2808 1011 Raio Energia do Feixe Luminosidade Grupos / Feixe Protons / Grupo Proton 7.5 m (25 ns) Cruzamento dos Grupos Proton colliding beams 4.107 Hz Colisão dos Prótons 109 Hz e- Colisão dos Pártons q µ+ χ1 - µ - Produção de Novas Partículas 10-5 Hz (Higgs, SUSY, ....) p Z H p Z µ+ µ - νe ~ q ~ g p ~ q q ~ χ2 0 q p µ+ µ− χ~1 0 Seleção de 1 evento em 10 trilhões Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 16 Energia do LHC O que significa 7 TeV? – – – 1 eV ~ 1,6 X 10 -19C X 1V = 1,6 X 10 7 TeV = 1,1 x 10-6 J Comparar com energias do dia a dia -19 J No entanto a energia do Feixe é: – Efeixe = 2.808 x 1,1 x 1011 x 7 TeV = 3,4 x 108 J – Comparar com energias do dia a dia Introdução à Física de Altas Energias SPRACE Detectores Enxergando o que os olhos não vêem Introdução à Física de Altas Energias SPRACE Detectores: Objetivos η= -log tan θ/2 x φ z y – – – – Identificar a partícula (Q, m). Determinar a trajetória. Medir a energia e momento Processamento de dados rápido e eficiente Introdução à Física de Altas Energias SPRACE η φ 19 Detecção de Partículas Detecção de partículas: interação das partículas com objeto macroscópico. – Interação eletromagnética • Eventos envolvendo fótons, elétrons, outras partículas carregadas. – Interação forte • Eventos envolvendo hádrons. Regimes de energia: diferentes processos. – – – – – – Excitação e ionização Bremsstrahlung Efeito fotoelétrico Espalhamento Thompson e Compton Produção de pares Processos nucleares Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 20 Interações de Partículas Carregadas Ionização e Excitação – Interação de partícula carregada com elétrons do meio – Importante a baixas energias. – Aproximação de Born para mproj >> malvo 2me c 2 β 2γ 2Tmax δ βγ ( ) dE 2 Z 1 1 2 − = Kz − β − ln d ( ρ x) A β 2 2 I2 2 4π N Aα 2 K= ≃ 0.31 mol-1 MeV cm 2 me Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 21 Para caso de elétrons: modificação na fórmula de ionização (me): γ m c 2 β γ −1 dE Z 1 e − =K ln + … 2 d ( ρ x) A β 2 I – Energia crítica Ec : divisão entre regime de ionização e regime de radiação. 610 Ec = MeV (sólidos) Z + 1.24 Ec = 710 MeV (fluidos) Z + 0.92 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 22 Interações de Elétrons Bremsstrahlung – Radiação devida ao espalhamento coulombiano. – Espalhamento com e- ou núcleos do meio – Aproximação de Weizsäcker-Williams: no referencial do projétil, campo do alvo é uma fonte de fótons reais dσ A 4 4 dE E 2 ≃ ≃ − y + y ⇒ − dk X 0 N Ak 3 3 d (ρ x) X 0 X0 = Introdução à Física de Altas Energias 716.4 A ( Z ( Z + 1) ln 287 / Z SPRACE ) g/cm 2 23 Interações de Fótons Efeito Fotoelétrico – Átomo + γ → íon + e– Dominante a baixas energias. – Teoria de perturbação não-relativística. 1/ 2 6 5 K photo 7 2 e σ 8π 32 ~ 3 ε α Z m , com ε = Eγ me Efeito Compton – e- + γ → e- + γ – – – Importante a energias intermediárias (cerca de 1 MeV). Eletrodinâmica Quântica. Soma incoerente sobre elétrons do átomo. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 24 Produção de pares – Dominante a altas energias. ε-7/2 ln ε / ε – Relacionado com bremsstrahlung (crossing). dσ A 4 = 1− x (1− x ) dx X0NA 3 cte x = E / k, onde k é a energia do fóton incidente e E a energia transferida para o par 7 A σ pares = 9 X 0 N A Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 25 Interações Nucleares Essencialmente processos inelásticos – Ordem de grandeza: σ nuc ∼ π aN2 ∼ 30 mb, aN ∼ 1 fm Raio do núcleo – Estimado a partir da física nuclear: R ≃ r0 A1/ 3 , r0 ≃ 1.16 fm Seção de choque ~ R2 – Dependência com A2/3 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 26 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 (E2 = p2 + m2) – Energia faltante E Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 27 Medidas não-Destrutivas Medida de momento – Campo magnético uniforme B = B0 z . – E = 0 → conservação de energia. – Módulo da velocidade é constante: B q r = p dp dv F = qv × B = =γm , dt dt v2 lembrando que aceleração centrípeta é e considerando v ⊥ B r 2 v qvB = γ m ⇒ r Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 28 Detectores de Trajetória Conceito: detector de elementos discretos, sensíveis à posição da partícula. Cintiladores plásticos (~ cm) Câmera de Fios (~ mm) Faixas de Silício (~ µm) – Cálculo da trajetória e de at – Semicondutores → par elétron lacuna → medida de corrente. Pulsos elétricos → enviados para a eletrônica e digitalizados. – Câmaras de fios (MWPC, drift chamber, TPC). Raio de curvatura no campo magnético é proporcional ao momento das partículas Introdução à Física de Altas Energias SPRACE – Eletrônica – formação e tratamento de sinal. – Computação – ajuste de trajetória. 29 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 e hadrônica). Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 30 Cascatas Calorimétricas Metal pesado Modelo para cascatas eletromagnéticas: Cintilador plástico – Elétrons • 1 bremsstrahlung / X0 – Fótons • 1 par e+ e- / X0 – Dobro de partículas a cada X0 – Quantidade de fótons é proporcional ao número de partículas que radiam – Número de partículas é Foto proporcional à energia da multiplicador partícula que entrou no calorímetro. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 31 Calorímetros Detector hermético. – Dimensão D >> X0 → perda total da energia. – Absorvedor (perda de energia) + cintilador (amostragem). – Fibras óticas → fotodetectores → sinal elétrico. – Eletrônica e software. – e-, γ e hádrons. – Et ≠ 0 → partícula invisível. – Granularidade → redundância Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 32 Magnetos Solenóide Toróide – Delphi, CDF, CMS – Atlas • Campo intenso e homogêneo • Campo de retorno fraco Introdução à Física de Altas Energias • Campo intenso mas não homogêneo • Sempre perpendicular ao momento SPRACE 33 Detectores: Projeto Como fazer um detector de propósito geral? – Capaz de detectar “todos” os tipos de partículas. – Medidas redundantes. – Medidas destrutivas após as não-destrutivas. Possível projeto: – Jato de hádrons – detector de trajetória, calorímetro hadrônico. – Elétrons – detector de trajetória, calorímetro EM. – Fótons – calorímetro EM. – Partículas de vida curta – detector de trajetória*. – Partículas carregadas massivas “estáveis” – detector de trajetória após calorímetro. – Et faltante – calorímetros herméticos. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 34 Detectores: Componentes Trajetória Calorímetro Eletromagnético Calorímetro Hadrônico Sistema de Muons Fótons Elétrons Hadrons Muons Neutrinos Introdução à Física de Altas Energias Ei ≠ Ef SPRACE 35 Partículas e Componentes do Detector Partícula Tracker ECAL HCAL Muon ― Absorvido ― ― W Desintegra ― ― ― Z Desintegra ― ― ― Elétron Trajetória Absorvido ― ― Múon Trajetória ― ― Trajetória Desintegra* ― ― ― ― ― ― ― Trajetória ― Absorvido ― ― ― Absorvido ― Trajetória ― Absorvido ― ― ― Absorvido ― Charm-type Desintegra* ― ― ― Bottom-type Desintegra* ― ― ― Fóton Tau Neutrino Píon (+/-) Píon (neutro) Próton Nêutron *Deixa traço no detector de pixel. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 36 Detector DØ 5 andares de altura 20 metros de comprimento 7 5.500 toneladas 800.000 canais de eletrônica 1.500 km de fios Software: -7 – 622 Pacotes – 5,3 GB executável – 1,8 GB de bibliotecas Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 37 Detector DØ e Collision Hall Fevereiro 2001 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 38 DØ Roll in Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 39 Detector CMS Sistema de Trajetória Peso: 12.500 ton Diâmetro: 15,0 m Comprimento: 21,5 m Campo Magnético: 4 T Calorímetro Eletromagnético Calorímetro Hadrônico Câmaras de Múons Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 40 CMS Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 41 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 42 Calorímetro Eletromagnético ECAL Calorímetro Hadrônico HCAL Magneto Tracker Câmaras de Múons Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 43 Partículas no Detector CMS Versão animada em http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/DetectorDrawings/Slice/CMS_Slice.swf Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 44 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, CMS cumprem todos esses requisitos. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 45
