Las Técnicas de Detección y los Grandes Detectores

Hands on Particle PhysicsMaster Class, Marzo 2015

By Ricardo Graciani

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• Técnicas de detección– Ionización– Centelleo

• Fotomultiplicadores

• Detectores– Calorímetros

• Sistemas de detectores

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La ionización• El paso de una partícula

cargada por un medio excita, por interacción electromagnética, electrones (o huecos), ionizando el medio.

• Para facilitar el procesado de las señales recogidas, se aplican campos eléctricos para transportar la carga liberada (electrones, huecos, iones) y recogerla mediante electrodos

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Detector Geiger• Usados desde ~1910 para

medir radiación cargada:– electrones,– protones,– Iones

• Producen una señal eléctrica

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Cámara de Trazas

Drift Chamber

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Cámaras de Burbuja y de Niebla• Usan un gas o un líquido en

estado metaestable (alta o baja presión).

• Los iones se convierten en centros de condensación o de ebullición.

• Las partículas crean un rastro de gotas o burbujas que se puede fotografiar y estudiar.

• En 1932 permitieron descubrir la antimateria (el positrón)

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El positrón (1932)• En Agosto de 1932, D.

Anderson obtiene la primera evidencia de un “electrón” cargado positivamente mientras estudiaba rayos cósmicos con una cámara de niebla operada dentro de un campo magnético.

• Esta partícula fue identificada como el positrón, que había introducido Dirac un par de años antes mediante consideraciones puramente teóricas.

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El Pion (1947)

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El Kaon (1949-51)• Usando emulsiones fotográficas y observando rayos

cósmicos.K0+-

K++

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Centelleadores (I)• En ciertos materiales, el paso

de partículas cargadas produce una excitación de electrones o moléculas que vuelven a su estado fundamental emitiendo en forma de luz (fotones) la energía absorbida.

• La luz es recogida por dispositivos fotosensibles, fotomultiplicadores o fotodiodos, que la trasforman en una señal eléctrica para su posterior procesamiento.

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Centelleadores (II)

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Centelleador

+

Guía de luz

+

Fotomultiplicador

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Fotomultiplicadores

• Un tubo de vacío con una zona cubierta de material fotosensible.• Por efecto fotoeléctrico, se transforma una parte de los fotones recibidos

en electrones (fotoelectrones). • En el interior se crea un campo eléctrico mediante una cadena de

dínodos sometidos a potenciales crecientes. • Los electrones liberados son atraídos al primer dínodo, donde liberan

nuevos electrones que a su vez son conducidos al siguiente dínodo de la cadena hasta llegar al ánodo.

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Semiconductores• Una partícula cargada que penetra en el detector.• Produce pares electrón-hueco a lo largo de su trayectoria en un número

proporcional a la energía que pierde.• Mediante un campo eléctrico aplicado externamente se separan los pares antes

de que se recombinen (los electrones van al ánodo y los huecos al cátodo).• La resolución depende de la distancia entre strips, “pitch”, y puede ser de

decenas de m.

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Calorímetros (I)• Un calorímetro es un detector

que mide la energía y posición de una partícula o grupo de partículas por absorción total.

• El proceso de absorción ocurre mediante “showers” , formadas por cascadas de partículas producidas en interacciones sucesivas

• La energía de la partícula incidente se degrada mediante procesos de ionización, excitación atómica,..

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Calorímetros (II)

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Grandes Dectores (I)• El Detector ideal debe identificar y medir todas las partículas

producidas. Es decir determinar su momento, masa y carga.• El tipo de acelerador y la física que se pretende estudiar

determinarán su estructura.

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LHCb

• VELO: Silicon vertex, reconstrucción precisa del Vértice primario y secundario. • TT. T1,T2,T3 (IT+OT) : Tracking, basado en silicio (ST = TT +IT) y gas (OT)• Magnet: 4Tm (10m), dB/B = 10-4 • RICH1, RICH2: Cerenkov, separación π/K/p.• ECAL, HCAL, SPD/PS: Calorimeters.• M1-M5: Muon ID.

p Beam p Beam

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Grandes Detectores (II)

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¿Cómo reconstruir el Higgs?• Partículas como:

– el Higgs, ~125 GeV/c2 (~ 125 protones), – los bosones Z, ~90 GeV/c2, o– W, ~80 GeV/c2

• Se desintegran muy rápidamente en otras más ligeras.

• Esto ocurre en el mismo sition en que se generan.• Al detector solo llegan los productos (primarios o

secundarios) de su desintegración que corresponden a partículas estables.

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