Aceleradores e Detectores - UNESP: Campus de São Paulo - Instituto de … · 2012-10-18 · –...

Introdução à Física de Altas Energias SPRACE

Aceleradores e DetectoresAceleradores e Detectores

São Paulo Regional Analysis CenterSão Paulo Regional Analysis Center


Como explorar o mundo subComo explorar o mundo sub--atômico?atômico?

–– 1910 Rutherford1910 Rutherford

–– ......

–– 1995 Tevatron, Fermilab1995 Tevatron, Fermilab

–– 2008 LHC, CERN2008 LHC, CERN

–– 2012 ILC, ?2012 ILC, ?

–– ......

αααα

2


Por que altas energias?Por que altas energias?

de Broglie:de Broglie:

Einstein:Einstein:

–– Aceleradores de partAceleradores de partíículas a altas energiasculas a altas energias

• Pequenas distâncias são exploradas

• Novas partículas são produzidas

[ ]

1.2hλ =

fm

Vp p Ge=ւ

ր

2 2 2 4

2

E = p c +m c

E = m cր ր

3


AceleradoresAceleradores

Uma corrida para as profundezasUma corrida para as profundezas


Alvo Fixo X ColisorAlvo Fixo X Colisor

Alvo

prótons

Alvo FixoAlvo Fixo

prótons prótons

ColisorColisor

1/22

Alvo Feixe2 43 GeVTE m c E = ≅

Feixe2 2.000 GeVTE E= ≅

Feixe 1.000 GeVE =

5


Alvo Fixo X ColisorAlvo Fixo X Colisor

–– Energia RelativEnergia Relativíística (~ TeV)stica (~ TeV)

–– Alvo FixoAlvo Fixo

–– ColisorColisor

( )2.1/2

2 4 2 4 2T 1 2 11 2E = m c +m c +2 E E p p c −

� �

21 F 2 A

1/2

T

2

2A FE

E =E , E =m c , p

=

=

E

0

2m c

1 F 2 F F1 2

T F

E =E , E =E , p =

E 2

p E /c

E

-

=

≅� �

(altas energias)

6


Acelerador LinearAcelerador Linear

�� PartPartíículas carregadas e estculas carregadas e estááveis são aceleradasveis são aceleradas

–– Energia Energia éé limitada apenas pelo comprimentolimitada apenas pelo comprimento

–– Alvo fixo: feixe se perde apAlvo fixo: feixe se perde apóós a colisãos a colisão

FonteIônica

Oscilador RF

Envólucro de Cobre

7


Stanford Linear Collider (SLC), SLACStanford Linear Collider (SLC), SLAC

8


Aceleradores CircularesAceleradores Circulares

�� Magnetos de DipoloMagnetos de Dipolo–– ÓÓrbita Circularrbita Circular

�� Magnetos de QuadrupoloMagnetos de Quadrupolo–– FocalizaFocalizaçção do feixeão do feixe

�� Cavidade de RFCavidade de RF–– AceleraAceleraççãoão

N S

NS

⊗⊗⊗⊗

9


Synchrotron SoleilSynchrotron Soleil

Cavidade RFCavidade RF

DipoloDipoloQuadrupoloQuadrupolo

10

Introdução à Física de Altas Energias SPRACESPRACE


Tevatron, FermilabTevatron, Fermilab

•• Fundado em 1968Fundado em 1968

•• Primeiro feixe 1972 (200 e 400 GeV)Primeiro feixe 1972 (200 e 400 GeV)

•• Upgrade 1983 (900 GeV)Upgrade 1983 (900 GeV)

•• Upgrade 2001 (980 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.

InjetorRecycler

Tevatron

Chicago↓↓↓↓

Antiproton

p

p CDF DØ

12

Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 13

Componentes do TevatronComponentes do Tevatron


Círculo em azul: LHC em

tamanho real

14


LHC, CERNLHC, CERN

SPS

PS

LEP - LHC

LHCb

Alice

CMS

ATLAS

A Toroidal LHC ApparatuSEstudo de Colisões Próton-Próton

Compact Muon SolenoidEstudo de Colisões Próton-Próton

A Large Ion Collider

Experiment Estudo de Colisões de Íons Pesados

Estudo da violação de CP no decaimento de mésons B

15


Cruzamento

dos Grupos 4.107 Hz

Proton

Proton

colliding beams

Colisão dos Prótons 109 Hz

Colisão dos Pártons

Produção de Novas Partículas 10-5 Hz

(Higgs, SUSY, ....)

p pH

µ+

µ-

µ+

µ-

Z

Zp p

e- νe

µ+

µ−

q

q

q

q

χ1

-

g~

~

χ2

0~

q~

χ1 0~

Seleção de 1 evento em 10 trilhões

7.5 m (25 ns)

Colisões no LHC4.245 km Raio7 TeV Energia do Feixe 1034 cm-2 s-1 Luminosidade2808 Grupos / Feixe1011 Protons / Grupo

16


Energia do LHCEnergia do LHC

�� O que significa 7 TeV?O que significa 7 TeV?–– 1 eV ~ 1,6 X 10 1 eV ~ 1,6 X 10 --1919C X 1V = 1,6 X 10 C X 1V = 1,6 X 10 --1919 JJ–– 7 TeV = 1,1 x 107 TeV = 1,1 x 10--66 JJ–– Comparar com energias do dia a diaComparar com energias do dia a dia

�� No entanto a energia do Feixe No entanto a energia do Feixe éé::–– EEfeixefeixe = 2.808 x 1,1 x 10= 2.808 x 1,1 x 101111 x 7 TeV = 3,4 x 10x 7 TeV = 3,4 x 1088 JJ–– Comparar com energias do dia a diaComparar com energias do dia a dia


DetectoresDetectores

Enxergando o que os olhos não vêemEnxergando o que os olhos não vêem


Detectores: ObjetivosDetectores: Objetivos

ηηηη= -log tan θθθθ/2x

z

y

φφφφ

–– Identificar a partIdentificar a partíícula (Q, m).cula (Q, m).–– Determinar a trajetDeterminar a trajetóória.ria.–– Medir a energia e momentoMedir a energia e momento–– Processamento de dadosProcessamento de dados

rráápido e eficientepido e eficienteη

φ

19


DetecDetecçção de Partão de Partíículasculas

�� DetecDetecçção de partão de partíículas: interaculas: interaçção das partão das partíículas com culas com objeto macroscobjeto macroscóópico.pico.

–– InteraInteraçção eletromagnão eletromagnééticatica• Eventos envolvendo fótons, elétrons, outras partículas carregadas.

–– InteraInteraçção forteão forte• Eventos envolvendo hádrons.

�� Regimes de energia: diferentes processos.Regimes de energia: diferentes processos.

–– ExcitaExcitaçção e ionizaão e ionizaççãoão–– BremsstrahlungBremsstrahlung–– Efeito fotoelEfeito fotoeléétricotrico–– Espalhamento Thompson e ComptonEspalhamento Thompson e Compton–– ProduProduçção de paresão de pares–– Processos nuclearesProcessos nucleares

20


InteraInteraçções de Partões de Partíículas Carregadasculas Carregadas

�� IonizaIonizaçção e Excitaão e Excitaççãoão–– InteraInteraçção de partão de partíícula carregada com elcula carregada com eléétrons do meiotrons do meio–– Importante a baixas energias.Importante a baixas energias.–– AproximaAproximaçção de Born para mão de Born para mprojproj >> m>> malvoalvo

( )

( )2 2 22 2max

2 2

21 1ln

2 2

em c TdE ZKz

d x A I

δ βγβ γβ

ρ β

− = − −

2-1 2A

e

40.31 mol MeV cm

NK

m

π α= ≃

21


�� Para caso de elPara caso de eléétrons: modificatrons: modificaçção na fão na fóórmula de rmula de ionizaionizaçção (mão (mee):):

–– Energia crEnergia críítica Ec : tica Ec : divisão entre regime de divisão entre regime de ionizaionizaçção e regime de ão e regime de radiaradiaçção.ão.

( )

2

2

11ln

2

em cdE ZK

d x A I

γ β γ

ρ β

− − = +

…

610MeV (sólidos)

1.24cE

Z=+

710MeV (fluidos)

0.92cE

Z=+

22


InteraInteraçções de Elões de Eléétronstrons

�� BremsstrahlungBremsstrahlung–– RadiaRadiaçção devida ao espalhamento ão devida ao espalhamento coulombianocoulombiano..–– Espalhamento com eEspalhamento com e-- ou nou núúcleos do meiocleos do meio–– AproximaAproximaçção de ão de WeizsWeizsääckercker--WilliamsWilliams: no referencial do : no referencial do projprojéétil, campo do alvo til, campo do alvo éé uma fonte de fuma fonte de fóótons reaistons reais

23

( )2

0 0

4 4

3 3A

d A dE Ey y

dk X N k d x X

σ

ρ

− + ⇒ − ≃ ≃

( ) ( )2

0

716.4g/cm

1 ln 287 /

AX

Z Z Z=

+


InteraInteraçções de Fões de Fóótonstons�� Efeito FotoelEfeito Fotoeléétricotrico

–– ÁÁtomo + tomo + γγ →→ ííonon + + ee--

–– Dominante a baixas energias.Dominante a baixas energias.

–– Teoria de perturbaTeoria de perturbaçção nãoão não--relativrelativíística.stica.

�� Efeito ComptonEfeito Compton–– ee-- + + γγ →→ ee-- + + γγ

–– Importante a energias intermediImportante a energias intermediáárias (cerca de 1 rias (cerca de 1 MeVMeV).).–– Eletrodinâmica Quântica.Eletrodinâmica Quântica.–– Soma incoerente sobre elSoma incoerente sobre eléétrons do trons do áátomo.tomo.

1 2 6 5

photo 7 2

8 32~ , com

3

K

e e

EZ

m m

γπ ασ ε

ε

/ =

24


�� ProduProduçção de paresão de pares–– Dominante a altas energias.Dominante a altas energias.

–– Relacionado com Relacionado com bremsstrahlungbremsstrahlung ((crossingcrossing).).

( )0

pares

0

41 1

3

/ ,

onde é a energia do fóton incidente e

a energia transferida para o par

7

9

A

A

d Ax x

dx X N

x E k

k

E

A

X N

σ

σ

= − −

=

=

ε-7/2

ln ε / εcte

25


InteraInteraçções Nuclearesões Nucleares�� Essencialmente processos Essencialmente processos

inelineláásticossticos–– Ordem de grandeza:Ordem de grandeza:

�� Raio do nRaio do núúcleo cleo –– Estimado a partir da fEstimado a partir da fíísica sica nuclear:nuclear:

�� SeSeçção de ão de choque ~choque ~ RR22

–– Dependência com ADependência com A2/32/3

2

nuc N

N

30 mb,

1 fm

a

a

σ π∼ ∼

∼

1/3

0 0, 1.16 fmR r A r≃ ≃

26


Tipos de DetectoresTipos de Detectores

�� InteraInteraçção diferente para cada tipo de partão diferente para cada tipo de partíícula. cula.

�� Medidas destrutivas e nãoMedidas destrutivas e não--destrutivas.destrutivas.

–– Momento Momento p: p:

• Raio de curvatura em campo B

–– Energia E: Energia E:

• Interações sucessivas → depósito completo da energia no meio

–– Carga q Carga q

• Sentido da curvatura em campo B

–– Massa m (EMassa m (E22 = p= p22 + m+ m22))

–– Energia faltante EEnergia faltante E

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Medidas nãoMedidas não--DestrutivasDestrutivas

�� Medida de momentoMedida de momento

–– Campo magnCampo magnéético uniforme tico uniforme B B = = BB00 zz ..

–– E E = 0 = 0 →→ conservaconservaçção de energia.ão de energia.

–– MMóódulo da velocidade dulo da velocidade éé constante:constante:

2

2

,

lembrando que aceleração centrípeta é e considerando

dp dvF qv B m

dt dtv

v Br

vqvB m

r

γ

γ

= × = =

⊥

= ⇒

� ��

��

p=rqBp=rqBp=rqBp=rqB

28


Detectores de TrajetDetectores de Trajetóóriaria�� Conceito: detector de Conceito: detector de

elementos discretos, elementos discretos, senssensííveis veis àà posiposiçção da ão da partpartíícula.cula.

–– CCáálculo da trajetlculo da trajetóória e de ria e de aatt

–– Semicondutores Semicondutores →→ par par eleléétron lacuna tron lacuna →→ medida de medida de corrente.corrente.

–– Câmaras de fios (MWPC, Câmaras de fios (MWPC, driftdrift chamberchamber, TPC). , TPC).

–– Eletrônica Eletrônica –– formaformaçção e ão e tratamento de sinal.tratamento de sinal.

–– ComputaComputaçção ão –– ajuste de ajuste de trajettrajetóória.ria.

Raio de curvatura no campo magnético

é proporcional ao momento

das partículas

Cintiladores plásticos (~ cm)Câmera de Fios (~ mm)Faixas de Silício (~ µm)

Pulsos elétricos → enviados para a eletrônica e digitalizados.

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Medidas DestrutivasMedidas Destrutivas

�� Medida da energia total de Medida da energia total de uma partuma partíícula.cula.

–– Altas energias Altas energias →→ diferentes diferentes regimes atregimes atéé absorabsorçção total.ão total.

• Fótons: Produção de pares →Compton → Efeito Fotoelétrico.

• Elétron: Bremsstrahlung →Ionização / Excitação.

• Hádrons: hádron + núcleo →hádron + núcleo + píon.

–– ProduProduçção de cascatas ão de cascatas (eletromagn(eletromagnéética e tica e hadrônicahadrônica).).

30


Cascatas CalorimCascatas Caloriméétricastricas

�� Modelo para cascatas Modelo para cascatas eletromagneletromagnééticas:ticas:–– ElEléétronstrons

• 1 bremsstrahlung / X0

–– FFóótonstons• 1 par e+ e- / X0

–– Dobro de partDobro de partíículas a cada Xculas a cada X00

–– Quantidade de fQuantidade de fóótons tons ééproporcional ao nproporcional ao núúmero de mero de partpartíículas que radiamculas que radiam–– NNúúmero de partmero de partíículas culas ééproporcional proporcional àà energia da energia da partpartíícula que entrou no cula que entrou no calorcaloríímetro.metro.

Fotomultiplicador

Metal pesado

Cintilador plástico

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�� Detector hermDetector herméético. tico.

–– Dimensão Dimensão D D >> X>> X0 0 →→

perda total da energia.perda total da energia.

–– Absorvedor (perda de Absorvedor (perda de energia) + energia) + cintiladorcintilador(amostragem).(amostragem).

–– Fibras Fibras óóticas ticas →→fotodetectores fotodetectores →→ sinal sinal eleléétrico.trico.

–– Eletrônica e software.Eletrônica e software.

–– ee--, , γγ e e hháádronsdrons..

–– EEtt ≠≠ 0 0 →→ partpartíícula cula invisinvisíível.vel.

–– Granularidade Granularidade →→redundânciaredundância

CalorCaloríímetrosmetros

32


MagnetosMagnetos

��SolenSolenóóideide–– Delphi, CDF, CMSDelphi, CDF, CMS

• Campo intenso e homogêneo

• Campo de retorno fraco

��TorToróóideide–– AtlasAtlas

• Campo intenso mas nãohomogêneo

• Sempre perpendicular aomomento

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Detectores: ProjetoDetectores: Projeto�� Como fazer um detector de propComo fazer um detector de propóósito geral?sito geral?

–– Capaz de detectar Capaz de detectar ““todostodos”” os tipos de partos tipos de partíículas.culas.

–– Medidas redundantes.Medidas redundantes.

–– Medidas destrutivas apMedidas destrutivas apóós as nãos as não--destrutivas.destrutivas.

�� PossPossíível projeto:vel projeto:

–– Jato de Jato de hháádronsdrons –– detector de trajetdetector de trajetóória, calorria, caloríímetro metro hadrônicohadrônico..

–– ElEléétrons trons –– detector de trajetdetector de trajetóória, calorria, caloríímetro EM.metro EM.

–– FFóótons tons –– calorcaloríímetro EM.metro EM.

–– PartPartíículas de vida curtaculas de vida curta –– detector de trajetdetector de trajetóória*.ria*.

–– PartPartíículas carregadas massivas culas carregadas massivas ““estestááveisveis”” –– detector de detector de trajettrajetóória apria apóós calors caloríímetro.metro.

–– EEtt faltantefaltante –– calorcaloríímetros hermmetros hermééticos.ticos.

34


Detectores: ComponentesDetectores: Componentes

Elétrons

Muons

Trajetória CalorímetroEletromagnético

CalorímetroHadrônico

Sistema deMuons

NeutrinosNeutrinos

Hadrons

Fótons

EEii ≠≠ EEff

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PartPartíículas e Componentes do Detectorculas e Componentes do Detector

PartPartíículacula TrackerTracker ECALECAL HCALHCAL MuonMuon

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.

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Detector DDetector DØØ

-7

7

�� 5 andares de altura 5 andares de altura

�� 20 metros de 20 metros de comprimentocomprimento

�� 5.500 toneladas5.500 toneladas

�� 800.000 canais de 800.000 canais de eletrônicaeletrônica

�� 1.500 km de fios1.500 km de fios

�� Software:Software:–– 622 Pacotes622 Pacotes–– 5,3 GB execut5,3 GB executáávelvel–– 1,8 GB de bibliotecas1,8 GB de bibliotecas

37


Detector DDetector DØØ e Collision Halle Collision Hall

Fevereiro 2001Fevereiro 2001

38


DDØØ Roll inRoll in

39


Detector CMSDetector CMS

CalorCaloríímetrometroEletromagnEletromagnééticotico

CalorCaloríímetro Hadrônicometro Hadrônico

Câmaras de MCâmaras de Múúonsons

Peso:Peso: 12.500 ton12.500 tonDiâmetro: 15,0 mDiâmetro: 15,0 mComprimento: 21,5 mComprimento: 21,5 mCampo MagnCampo Magnéético: 4 Ttico: 4 T

Sistema de TrajetSistema de Trajetóóriaria

40


CMSCMS

41


Calorímetro Eletromagnético

ECAL

Tracker

Calorímetro Hadrônico

HCAL

Câmaras de Múons

Magneto


PartPartíículas no Detector CMSculas no Detector CMS

Versão animada em http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/DetectorDrawings/Slice/CMS_Slice.swf

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ConclusãoConclusão

�� Aceleradores de partAceleradores de partíículas são responsculas são responsááveis por uma veis por uma grande parte do nosso entendimento sobre a grande parte do nosso entendimento sobre a estrutura da matestrutura da matéériaria

�� Aceleradores existentes hoje (SLAC, HERA, Tevatron) Aceleradores existentes hoje (SLAC, HERA, Tevatron) →→ FFíísica na escala de GeV. LHC sica na escala de GeV. LHC →→ TeV.TeV.

�� Detectores de partDetectores de partíículas de propculas de propóósito geral permitem sito geral permitem uma explorauma exploraçção extensiva.ão extensiva.

�� Entendimento dos detectores Entendimento dos detectores →→ entendimento das entendimento das interainteraçções das partões das partíículas com os detectores.culas com os detectores.

�� Medidas redundantes aumentam a qualidade dos Medidas redundantes aumentam a qualidade dos dados.dados.

�� Experimentos como DExperimentos como DØØ, CMS, CMS cumprem todos esses cumprem todos esses requisitos. requisitos.

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