Simulação de um calorímetro

Simulação de um calorímetro
Objectivos do trabalho: Simulação de um detector, Física da interacção da radiação
com a matéria
Introdução:
A compreensão detalhada dos processos de interacção de partículas com os meios
materiais é fundamental para o completa interpretação dos dados fornecidos pelos
detectores. Até existir um bom conhecimento das características de um detector, a
informação dele extraída tem pouco valor. Na Física de Altas Energias é frequente vários
processos competirem entre si na contribuição a ser dada ao resultado final. Por isso é
muitas vezes difícil ou impraticável a obtenção de todas as características por via
exclusivamente experimental directa. Nestes casos recorre-se a uma simulação do
dispositivo em estudo e dos processos físicos envolvidos. Nem sempre o resultado da
simulação está de acordo com os resultados experimentais. Mas muitas vezes são estes
desacordos que permitem identificar contribuições de processos físicos que estavam a ser
menosprezadas. A simulação traduz em cada momento o estado de conhecimento sobre
um determinado sistema, e deve tanto quanto possível ser actualizado em face de novos
resultados experimentais.
No presente trabalho procura-se simular um calorímetro electromagnético. Este detector,
em geral, não é mais que um bloco de matéria onde a radiação interage, produzindo-se
um sinal que de alguma forma deve ser proporcional à energia da partícula incidente.
Com frequência o calorímetro é construído de tal forma que a partícula incidente perde
toda a sua energia no detector. Trata-se portanto de um processo destrutivo, razão pela
qual os calorímetros são colocados no fim da cadeia de detecção de partículas.
Os calorímetros podem ser classificados de várias formas, mas para o presente trabalho
interessa referir dois tipos: calorímetros homogéneos e calorímetros de amostragem. Os
primeiros são constituídos por um único tipo de material, em quanto que os segundo
utilização a associação de um material de alta densidade e número atómico (material
passivo) com um material (ou sistema) que produz o sinal propriamente dito. Existem
vantagens de parte a parte nos dois sistemas, de onde se realçam a melhor resolução em
energia dos primeiros, em contraste com as dimensões mais reduzidas dos segundos para
uma mesma eficiência.
Aspectos técnicos:
A simulação do calorímetro vai ser realizada com a utilização de um pacote especializado
de software, que foi especialmente desenvolvido para o estudo das interacções de
electrões e fotões de alta energia com os meios materiais: o GEANT3. A interacção com
o programa faz-se através de chamadas a rotinas e do controlo das variáveis que definem
o estado das diversas partículas em cada momento.
O seguinte organigrama resume os aspectos principais do programa:
UGEOM
UGINIT
Inicialização geral
Leitura cartas controlo
Define códigos partículas
Calcula secções eficazes
Definição materiais
Definição geometria
UHINIT
Inicialização
histogramas
GUKINE
Cinemática do feixe
GXINT
GRUN
GUSTEP
Controlo de variáveis
no fim de cada passo
UGLAST
GUOUT
Fim do run
Saída resultados
Fim do evento
Questões a resolver
1. Simulação de um calorímetro homogéneo:
Pretende-se simular um calorímetro homogéneo constituído por um único cristal de NaI
ou BGO. Estes calorímetros são usados numa gama de energias que vai das centenas de
keV até dezenas de MeV, ou usando vários cristais até centenas de GeV. Neste trabalho
pretende-se estudar a interacção de fotões com o calorímetro no intervalo de energias de
1 a 10 MeV. Para esse efeito é fornecido um programa de base (nai.tar) que pode ser
facilmente adaptado a todas as situações a estudar.
A configuração inicial do cristal poderá ser a seguinte:
Volume activo : 2×2×4 cm3
Partícula incidente: Fotão
Energia do feixe: 5 MeV
Feixe colimado segundo zz
γ
Procure responder a algumas das seguintes questões:
•
•
•
•
Faça uma análise do espectro obtido, procurando explicar todas as características
observadas.
De que forma pode definir a eficiência intrínseca do detector? Como varia essa
eficiência com a energia do feixe?
A resolução intrínseca obtida pela simulação é à partida melhor do que aquilo que é
obtido experimentalmente. Aponte algumas das razões. De que forma poderiam esses
efeitos ser incluídos na simulação?
Qual é o efeito de se aumentar (ou diminuir) o tamanho do cristal?
Problema avançado
Repita a simulação usando com feixe positrões com uma energia de entre 1 e 5 MeV.
Interprete o espectro de energia obtido.
2. Simulação de um calorímetro de amostragem:
Pretende-se simular um calorímetro de amostragem chumbo/plástico cintilador,
constituído por placas alternadas de cada um destes materiais. Este tipo de detector tem
sido construído para várias experiências de Física de Altas Energias apresentando uma
boa relação entre a eficiência (muito alta) e a resolução. É ainda em geral um calorímetro
de menor custo relativamente aos calorímetros homogéneos, pelo que é frequentemente
adoptado quando se pretendem construir detectores de grandes dimensões. Estes
calorímetros são sobretudo usados numa gama de energias da ordem ou superior ao GeV.
Neste trabalho pretende-se estudar a interacção de electrões com o calorímetro no
intervalo de energias de 0.5 a 5 GeV. Para esse efeito é fornecido um programa de base
(calo.tar ) que pode ser facilmente adaptado a todas as situações a estudar.
A configuração inicial do calorímetro poderá ser a seguinte:
10 placas de chumbo
10 placas de plástico
Volume de cada placa: 5×5×0.5 cm3
Partícula incidente: electrão
Energia do feixe: 1 GeV
Feixe colimado segundo zz
e-
Procure responder a algumas das seguintes questões:
•
•
•
•
Faça uma análise do espectro de energia obtido, procurando explicar todas as
características observadas.
Faça uma análise da energia depositada em função da profundidade do calorímetro
(perfil longitudinal da cascata). Como varia este perfil com a energia de feixe?
De que forma pode definir a resolução do detector? Como varia essa resolução com a
energia do feixe (parametrize a função obtida)?
Qual é o efeito de se aumentar (ou diminuir) o tamanho das placas? As consequências
de um aumento transversal de dimensões são as mesmas que as de um aumento
longitudinal?