1. No category

Física de Partículas
Curso para profesores de Bachillerato
Jesús Puerta Pelayo
CIEMAT- Madrid
Enero/Febrero 2015
[email protected]
Estructura del curso
Sesión 1 (15/Enero/2015) EL MODELO ESTÁNDAR, INTRODUCCIÓN HISTÓRICA
• Conceptos básicos
• Desarrollo histórico del ME
• Presente & futuro
Sesión 2 (22/Enero/2015) INSTRUMENTACIÓN
• Aceleradores
• LHC
• Detectores
• CMS
• Medidas en CMS
Sesión 3 (10/Marzo/2015) ANÁLISIS DE DATOS
• Fundamentos
• Ejemplo
Sesión 4 (24/Marzo/2015) RESULTADOS DE CMS & FUTURO
• Resultados de CMS
• Incógnitas
• Teorías más allá del ME
• Futuros aceleradores
Sesión 2
Índice
• 2.1: Aceleradores de partículas
– Introducción
– Fundamentos
• 2.2: El Large Hadron Collider (LHC)
–
–
–
–
Diseño e historia
Componentes
Parámetros y operación
Los experimentos de LHC
• 2.3: Física de detectores
– Tipos de detectores
– Detectores gaseosos
– Calorímetros
• 2.4: El experimento Compact Muon Solenoid (CMS)
– Diseño, historia y construcción
– Subdetectores
– Sistemas de adquisición de datos y disparo
4
2.1. Aceleradores de partículas
5
¿Qué es un acelerador?
Los aceleradores son máquinas encargadas de controlar
y acelerar haces de partículas por medio de campos E y
B, para usar estas partículas como proyectiles.
– La energía cinética de las partículas se utiliza para
explorar regímenes de alta energía.
•
Los colisionadores son una de las principales herramientas
con las que contamos para experimentar en física de
partículas
– Los colisionadores repiten lo que la Naturaleza nos
proporciona, pero de forma controlada, con mayor
intensidad y mayor frecuencia
•
Existen diversos “aceleradores naturales”
– Fuentes radiactivas producen partículas de energías
máximas del orden de algunos millones de electronvoltios (MeV).
– Las partículas procedentes de la radiación cósmica
alcanzan energías ~1,000,000,000 x LHC pero el flujo
es demasiado bajo como para utilizarlas como un
instrumento de estudio.
Energía máxima LHC
6
Aceleradores para investigar altas energías
•
Para estudiar escalas de tamaño subatómicas
necesitamos utilizar energías más altas
•
El descubrimiento de nuevas partículas pasa por la
capacidad de contar con energía suficiente para
poder crearlas.
– Diversas teorías más allá del Modelo Estándar
(como la SUSY), predicen un “zoo” de partículas
en el rango de masa entre pocos cientos de
GeV y algunos TeV. Es ése el rango a estudiar…
– Por supuesto, es posible que nos encontremos
con algunas sorpresas.
Cuanto menos frecuente sea un proceso, más veces
tendremos que repetir el experimento para
observarlo (= más colisiones, más luminosidad).
•
Los colisionadores permiten diseñar experimentos específico de determinadas partículas:
Eligiendo el tipo y sabor de las partículas en juego (proyectil / blanco)
e-, e+, γ, p, anti-p, iones.
Espalación: n, π/K, μ.
Diferentes sabores de ν procedentes de aceleradores y reactores nucleares
7
¿Para qué se utilizan?
Sólo ~1% de los > 26000 aceleradores existentes se usan para investigación en altas
energías (Mayoría: hospitales, generación de radioisótopos)
8
Breve historia de los aceleradores
•
•
•
•
•
•
•
A partir de los años 50, los primeros aceleradores
permitieron «crear» y estudiar partículas en el laboratorio
(hasta entonces, cósmicos)
Impresionante avance en física experimental de partículas.
Nueva pléyade de partículas (quarks, bosones EW, etc.)
– La caracterización de las interacciones
fundamentales ayudó a establecer el Modelo
Estándar hasta la escala de 102 GeV
– Del mismo modo, se evidenciaron las debilidades del
Modelo (violación de CP, oscilaciones y masas de
neutrinos, ruptura de simetría…)
Desarrollo tecnológico (Electrostático, RF,
superconductores…) y numerosísimos spin-offs (de ahí los
>26000 aceleradores).
Tras cada escalón en la gráfica se esconde un paso
adelante desde el punto de vista tecnológico y científico.
Algunos de los aceleradores más recientes(<30 años)
Tevatron – HERA – SLC – LEP – SPPS – RHIC - KEKB
Límite actual: Escala del TeV en LHC (y Tevatron hasta
hace poco)
– Nueva física puede estar a la vuelta de la esquina…
Un factor ~10
cada 15 años
9
RHIC – Brookhaven (Nueva York, EEUU)
SLAC – Stanford (California, EEUU)
Tevatron – Fermilab (Chicago, EEUU)
HERA – DESY
(Hamburgo,
Alemania)
KEKB - KEK
(Tsukuba, Japón)
10
Tipos de aceleradores (investigación)
• Por tipo de experimento:
– Blanco fijo / Colisionadores
• Por forma / estructura
– Lineal / Circular
• Por tipo de partícula
– Leptónico / Hadrónico / Iones
11
Por tipo de experimento
Blanco fijo
pT ≠ 0: parte de la energía, energía
cinética de las partículas resultantes.
Pro: Estructura del detector más simple
Con: Energía limitada
FT: Ebeam = 7 TeV  ECM = 0.12 TeV
Colisionador
pT = 0: toda la energía disponible para crear
nuevas partículas
Pros: Más energía
Cons: Topología del detector más complicada.
Requiere 2 aceleradores
LHC: Ebeam1 = Ebeam2 = 7 TeV  ECM = 14 TeV
12
Por tipo de partícula
La partícula justa para el objetivo adecuado
LEPTÓNICO
•
•
•
•
La energía de ambos haces se transfiere
totalmente a la colisión
Ecoll= Eb1+ Eb2= 2Eb
Pros: la energía se puede ajustar con
precisión para explorar una región de masas
(MEDIDAS DE PRECISIÓN, p.ej. LEP).
Uso de la conservación de energía/momento
para encontrar partículas “invisibles”
Cons: a partir de una cierta energía, el uso
de electrones es poco práctico por pérdidas
radiativas
HADRÓNICO
•
•
•
•
+ COLISIONADORES DE IONES
Estudios del QGP
La energía del haz se aplica a los
constituyentes del protón y es sólo uno de los
partones del protón el que interacciona con el
otro:
Ecoll < 2Eb
Pros: con el mismo haz es posible explorar un
rango de energías muy amplio (MÁQUINAS
PARA DESCUBRIMIENTOS, p.ej., LHC)
Cons: la energía disponible para la colisión ≤
energía del haz. Sólo una fracción disponible
(indefinida en cada colisión). El resto se
traduce en fragmentos de protones (follón!)
La frontera de la energía históricamente ha
sido sobrepasada por máquinas hadrónicas
(protón, antiprotón)
13
Pérdida de energía: radiación sincrotrón
Cuando la trayectoria de una partícula cargada se deflecta,
emite “radiación sincrotrón”
Radio de
curvatura
1 e cE
P

2 
6 0   m 
2
4
Un electrón irradia unas 1013 veces
más que un protón de la misma
energía
• Protones: Radiación sincrotrón no afecta la cinemática del haz sustancialmente.
• Electrones: Más allá de unos pocos MeV, la radiación sincrotrón cobra importancia, y a
partir de unos pocos GeV domina la cinemática. Para compensar las pérdidas, el radio debe subir
con el CUADRADO de la energía (B proporcional a 1/E  anillos de aceleración enormes)
• Efectos positivos:
- El haz se uniformiza en todas las direcciones
- Fuente de luz, FELs, etc
• Efectos negativos:
- Calentamiento del tubo del haz
- Mayor interacción entre partículas del haz
- Las pérdidas suponen el límite fundamental de aceleradores circulares
14
Por forma
Colisionadores lineales: línea recta,
sin trayectoria de curvatura. Se
requiere un gradiente de aceleración
muy alto.
Colisionadores circulares: Imanes para
curvar las trayectorias. La recirculación de
haces permite un menor gradiente de las
cavidades aceleradoras.
No hay energía perdida en forma de
radiación sincrotrón. Sin embargo, el
limitado gradiente de aceleración
exige que estas máquinas sean muy
largas (y caras).
En colisionadores circulares, el acelerador
debe compensar y restaurar las pérdidas de
energía provocadas por la radiación
sincrotrón.
SLAC National Accelerator Laboratory's 3-km-long tunnel
Próxima generación de colisionadores
electrón-positrón de alta energía (CLIC, ILC)
serán lineales.
15
Física de aceleradores: principios básicos
Las partículas cargadas son aceleradas, guiadas and confinadas por medio de
campos electromagnéticos:
• Un acelerador está formado por una secuencia
de:
– Cavidades aceleradoras (Campos eléctricos)
– Imanes para guiar, focalizar y controlar los
haces:
• Curvatura: Dipolos
• Focalización: Cuadrupolos
• Aberración cromática: Sextupolos
16
Aceleración electrostática
Una partícula libre cargada en un
campo eléctrico uniforme se verá
acelerada por dicho campo.
Un electronvoltio (eV) es la
cantidad de energía adquirida por
un electrón moviéndose a través
de una diferecia de potencial de
1 V:
1 eV = 1.602x10-19 Julios
K  eEd  eV
El acelerador de Van der Graaf de 4 MeV en el PSI.
1V
0V
e-
E = 1 eV
Los primeros aceleradores usaban campos
eléctricos estáticos
El campo (y por tanto la energía adquirida)
estan limitados a pocos MeV antes de su
ruptura eléctrica.
17
Aceleración por radiofrecuencia (RF)
•
Los aceleradores de alta energía típicamente utilizan cadenas de estructuras que generan un
campo electrico que varía con el tiempo (Aceleración por radiofrecuencia, cavidades RF) en la
dirección del haz
cavidad 0
E  E (t )  E0 sint   0
cavidad1
E  E (t )  E0 sint  1
cavidad N
E  E (t )  E0 sint   N
La polaridad del campo será tal que tendrá signo positivo (aceleración) la mitad del tiempo, siendo
negativo (deceleración) la otra mitad. Por este motivo, el haz debe estar organizado en paquetes
de partículas con un espaciado proporcional a la fase de oscilación del campo.
• La fase de RF se fija de tal modo que los paquetes del haz experimentaran una aceleración
similar, contribuyendo así a su compactificación.
Tevatron 53 MHz,
LHC 400 MHz.
En sincrotrones los
campos se suben de
forma sincronizada
con las energías
adquiridas.
18
Ejemplos de estructuras de RF
37->53MHz Cavidad del Fermilab Booster
Tubo de deriva del Fermilab
Linac (200MHz): campos
oscilantes a lo largo de toda
su extensión
Prototipo de cavidad para ILC “-cavity”
(1.3 GHz): el campo alterno varía en cada
una de las celdas
19
Óptica básica: dipolos
Imanes dipolares se utilizan para curvar
el haz en máquinas con trayectorias
circulares
Cuanto mayor sea la energía de la
partículas, más alto habrá de ser el
campo magnético:
pT = q r B
20
Cuadrupolos
Dentro de un paquete, todas las partículas tienen la misma carga, por lo que la
repulsión eléctrica tiende a separarlas. Es necesario «enfocar» el haz:
Bx
By
x
•
•
y
Una partícula positiva moviéndose perpendicularmente a la pantalla
experimentará un empuje de “enfoque” convergente hacia la posición nominal.
Cuadrupolos alternos: FODO
Bx ( x)l
Blx
  

( B )
( B )
( B )
f 
B' l
21
2.2. El Large Hadron Collider
22
Ginebra
LHCb
CERN
ATLAS
CMS
ALICE
El Large Hadron Collider (LHC) es en la actualidad el acelerador de
partículas más potente.
Sincrotrón – Circular - Colisionador hadrónico (p-p) & iones (Pb - Pb)
Cavidades aceleradoras de RF & Imanes SUPERCONDUCTORES
Instalado en el túnel de 27km del antiguo acelerador LEP (~100m profundidad) en el CERN
(LEP = Colisionador Large Electron Positron)
23
Breve historia de LHC
1994
El consejo del CERN da luz verde a LHC
2008
Acelerador completo
Último acceso público
Enfriado completo y bajo vacío
10/Sep: Primer haz en circulación
19/Sep: Accidente en unión de imanes:
>1 año parada.
1995
LHC Technical Design Report
2000
LEP finaliza su actividad
Entrega del primer dipolo
2005
Se completa la ingeniería civil
(cavernas)
Primer dipolo instalado en el túnel
2009
Haces de nuevo en circulación
23/Nov: Primeras colisiones a 450 GeV
30/Nov: Haces alcanzan 1.18 TeV.
2007
Entrega del último dipolo
Enfriado del primer sector
Todas las interconexiones realizadas
2010
30/Mar: Colisiones a 7 TeV en el CM.
Comienza así el programa de
investigación de LHC (7TeV y 8TeV)
• LHC proporcionó 6 fb-1 en 2011 y 23 fb-1 en
2012 a los experimentos
Desde 2013, primera parada de larga duración
(LS1) para mejora y mantenimiento
24
Requisitos para LHC
Motivos de física tras el diseño de LHC:
Explorar / Descubrir hasta el rango del TeV (Higgs / SUSY /…)
En colisionadores hadrónicos:
– Altas secciones eficaces de producción…
– … enmascaradas por un número enorme de procesos de
fondo: 109 interacciones pp inelasticas / s.
– Un sistema de discriminación eficiente es vital.
La más alta luminosidad posible (colisiones/segundo) con un
número manejable de sucesos de pileup (25 sucesos/cruce)
con la mayor energía asumible:
– L = 1034 cm-2 s-1 (10 fb-1/año) a ECM = 14 TeV
– Alto número de haces(2808) y protones por haz
(1.15 x 1011) para conseguirlo
– 7 TeV por haz, campo en los dipolos 8.33 T
•
•
Campo proporcionado por imanes superconductures
2 tubos de aceleración con dipolos acoplados permiten 2 anillos
de aceleración en el mismo túnel
25
Cadena de aceleradores del CERN (no a escala)
https://www.youtube.com/watch?v=uo60o9Y0RnE
0.999999 c
0.87 c
Fuente de protones
0.3 c
26
Esquema de LHC
LHC no es un círculo
perfecto; está formado por
ocho arcos de 2.45 km y
ocho secciones rectas de
545 m.
Cavidades RF
Los arcos contienen los
dipolos para curvar las
trayectorias, con 154 dipolos
por arco.
Cada sección recta cumple
una finalidad determinada,
que determina su
composición:
• Colisiones
• Inyección
• Aceleración
• Limpieza
• Extracción
Colimadores
Inyección haz 1
2.9 km línea transf.
Extracción haz
8 sectores
independientes en
cuanto a criogenia y
alimentación
Colimadores
Inyección haz 2
2.7 km línea transf.
27
Los arcos (dipolos)
• 23 celdas FODO en cada arco (106.9 m largo)
– Compuestas por dos semi-celdas de 53.45m de largo cada una
• Semicelda:
– 3 x 15 m crio-imanes dipolares (siguiente transparencia)
– 1 sección recta corta (unos 6m) compuesta por:
• Imanes cuadrupolares correctores
• Sextupolos para correcciones cromáticas
28
Superconductividad
•
•
En los aceleradores que usan imanes convencionales, la energía máxima está limitada
por la pérdida máxima de energía por disipación con la que se puede trabajar:
– P = I2R proporcional a B2
– El máximo valor eficiente de campo para CC con imanes convencionales ~1T
– ¡Un LHC construido con esos imanes tendría el tamaño de Cataluña!
Para colisionadores de más alta energía, es necesario emplear materiales superconductores
• … con sus ventajas e inconvenientes
– Los imanes convencionales son
simples y disipan energía de forma
natural (calor)
Los imanes superconductores son
elementos muy complejos y almacenan
una gran cantidad de energía
EB
En un material superconductor se puede producir un quench (perdida de SC, disipando calor).
Los QUENCHES son el mayor problema al que se puede enfrentar un acelerador superconductor
Un sistema electrónico (QPS) protege el colisionador de quenches múltiples (>2) induciendo una pérdida de haz.
29
2
Dipolos
•
El mayor reto tecnológico de LHC es la
operación de los imanes de curvatura en los
arcos:
• Dos aceleradores en uno: las 2 cavidades
de protones se integran en el mismo
dipolo. Campo magnético antisimétrico,
• 1232 dipolos superconductores
• Campo magnético nominal: 8.33
T (100.000 veces campo terrestre)
• Campo correspondiente a una energía por
haz de 7 TeV
• Posibilidad de subir el campo a un valor
límite de 9T.
• El sistema superconductor ha de operar a
una temperatura de 1,9 K, alcanzada con
helio superfluido.
•
También se pueden acelerar haces de núcleos
de plomo (Pb-208), colisionando con una
energía en el CM de 1150 TeV. Cada ion de Pb208 alcanza una energía de 1150/2 = 575 TeV.
La energía por nucleón es: 575/208 = 2,76 TeV
30
Dipolos
31
Dipolos
32
1232 dipolos @ 1.9 K
7 TeV
8.33 T
11850 A
7 MJ
33
Punto 4: Aceleración
Sistema de RF
Para acelerar los haces se utilizan cavidades de radiofrecuencia, que proporcionan energía a los
haces a cada paso
En LHC, 8 cavidades por haz, cada una de ellas proporciona 2 MV (campo de aceleración de 5
MV/m) a 400 MHz. Las cavidades operan a 4.5 K — los imanes usan helio superfluido a 1.8 K.
La energía máxima se alcanza en unos ~15min, en los que los haces atraviesan las cavidades
aproximadamente 1 millón de veces
2 módulos/haz
4 cavidades/módulo
34
Puntos 2&8: Inserción
Inyección
Desvían las partículas desde SPS hacia dentro del tubo de LHC
35
Puntos 3&7: Limpieza
Colimadores
• El potente sistema de colimadores en LHC protege el acelerador contra las inevitables pérdidas y desviaciones
(regulares e irregulares) del haz. Dos de las secciones rectas (IR3 & IR7) están dedicadas a limpieza del haz.
• Incluso una mínima fracción de la energía almacenada es suficiente para provocar un quench de un imán
superconductor, que incluso podría dañar partes del acelerador. Unas pocas partículas fuera de su órbita pueden
poner la máquina en peligro.
• La energía almacenada en los dos haces de LHC es suficiente para derretir 1 Ton de cobre. Una fracción
de 10-6 de esa energía puede dañar el tubo.
• Estas secciones se encuentran entre las zonas más radiactivas de LHC. Están equipadas con 54 colimadores
móviles bidireccionales, y un juego de imanes convencionales que operan en campos entre 0.09 T y 1.53 T.
56 mm
1 mm
36
Punto 6: Vaciado
Extracción del haz
El sistema de protección contra
quenches (QPS) provoca un
vaciado de haz (beam dump).
Dispersa el haz
para reducir el
impacto en el
blanco
Cuando llega el momento de descartar los haces (pérdida de calidad o en
caso de emergencia), éstos son “apartados” del anillo por medio de un
sistema de imanes extractores, y lanzados contra un bloque.
El bloque de absorción (dump block) puede soportar el impacto del haz
completo. Está compuesto por un cilindro de grafito de 8m de longitud y 1m
de diámetro, encapsulado en 1000T de hormigón. Al absorber la energía del
haz, su temperatura aumenta muchísimo pero no se funde. Este tamaño
permite dispersar los chorros hadrónicos a lo ancho de su volúmen.
haz
37
Puntos 1,2,5,8: Colisiones
Experimentos
Focaliza los haces en el punto de interacción
38
Tripletes (puntos 1, 2, 5 & 8)
Focalización de haces
39
Luminosidad
La relación entre el haz y la
tasa de sucesos resultantes de
un proceso físico viene dada
por la luminosidad.
Tasa
R  L
“Luminosidad”
En un experimento L es la luminosidad integrada (en
tiempo, unidades σ-1). Es un modo de medir el número
de colisiones registradas.
Uno de los parámetros más importantes de un
colisionador es la luminosidad instantánea (diferencial),
con unidades σ-1t-1.
En LHC, la luminosidad de diseño es L ≈ 1033 cm-2s-1 = 1
nb-1s-1. Representa una medida de la tasa de colisiones
por segundo.
Sección eficaz
(Física)
La sección eficaz de un
proceso , σ, es la razón
entra la corriente
saliente, jout, y la
corriente entrante, jin:
s=
j out
jin
Unidad estándar de sección eficaz: “barn”=10-24 cm2
Unidad estándar de luminosidad: cm-2s-1
Luminosidad integrada: barn-1, donde
b 1  (1 s)  (10 24 cm -2s -1 )
40
Luminosidad
Desde el punto de vista del colisionador, L se define en función del número de
partículas en el haz, Ni (protones), la frecuencia de cruce, f, y las
características del haz.
L  f rev
1

nN b2 * R
4
 N
Valores nominales LHC f = 40 MHz, N1 = N2 = 1.15x1011
L ≈ 1034 cm-2s-1
La luminosidad se degrada con el paso del tiempo debido a las interacciones
de los protones con las moléculas residuales dentro del tubo del haz. La
medida y monitorización de la luminosidad instantánea es crucial.
Receta para alcanzar alta luminosidad:
Paquetes de alta densidad (alto no. protones /
paquete)
Baja emitancia
Valores bajos de la función de amplitud
en el punto de colisión (óptica)
41
Parámetros nominales LHC
Run 1 (2010-2012):
Energía: 3.5 TeV / 4 TeV
1380 paquetes
Espaciado temporal= 50 ns
Parámetros nominales
Energía por haz (TeV)
7
Partículas por paquete
1.15 x 1011
Parámetros relacionados
Paquetes por haz
2808
Luminosidad en IP 1 & 5 (cm-2 s-1)
Ángulo de cruce (rad)
285
Luminosidad en IP 8 (cm-2 s-1)
Emitancia transversa norm (m rad)
3.75
Sección transversal haz IP 1 & 5 (m)
16.7
Longitud paquete(cm)
7.55
Sección transversal haz IP 2 & 8 (m)
70.9
β* en IP 1, 2, 5, 8 (m)
0.55,10,0.55,10
Energía almacenada por haz (MJ)
362
Espaciado entre paquetes (ns)
25
1034
~ 5 x 1032
42
Luminosidad instantánea (Run1)
43
Luminosidad integrada (Run1)
44
Ciclo de operación de LHC
Magnet Current
Physics
Beam
Dump
Squeeze,
adjust
Physics
Interfill
Injection
• El ciclo de operación de LHC incluye periodos de colisión («fills») e «inter-fill’s»
• Periodos de física (colisiones) se mantienen tanto tiempo como sea posible antes de
que la calidad de los haces se degrade (hasta 20 h)
• Cuando la calidad es baja, se desechan los haces y se bajan las corrientes de los
imanes.
• En el mejor de los casos lleva unas 2h volver al modo de física
• Si > 3 h hasta el próximo fill -> calibraciones, toma de datos con cósmicos,
45
intervenciones in-situ, etc.
46
47
El futuro de LHC
•
A punto de concluir la primera parada larga prevista. Colisiones se retomarán en
pocos meses.
–
•
•
•
•
Reparación de uniones de imanes, mejora de inyectores, mantenimiento
2015-2021: L = 1034 cm-2 s-1 y ECM >= 13 TeV (25ns o 50ns BX)
Después la situación dependerá de los resultados de física de los próximos años.
Posible incremento de L (1035 ?) y/o ECM (20-50 TeV ?). Ello requeriría intervenciones
sustanciales en los experimentos y el acelerador.
Opciones: Installación de HL-LHC HW, LHeC, preparación de HE-LHC…
48
¿… y después…?
•
•
•
•
Un colisionador leptónico de >1 TeV/haz podría competir con el potencial de descubrimiento de LHC
Por desgracia, construir un acelerador así es MUY MUY difícil (a día de hoy)
– Colisionadores e+e- circulares limitados por radiación sincrotrón
LEP alcanzó 100 GeV/haz en una circunferencia de 27 km. Supuso el límite para aceleradores e+e- circulares
– Próximo paso será un colisionador lineal
– Propuesta: ILC 30 km, 250 x 250 GeV e+e- (No al límite de de la frontera)
“Factoría de Higgs”, quizá algo más, dependiendo de próximos resultados
Otras opciones de futuro sobre la mesa (CLIC, FCC…)
49
Experimentos de física de partículas, año 0
•
El primer “acelerador” artificial de partículas se hizo usando
“tubos de Crookes”, en la segunda mitad del S. XIX
–
–
•
Usados para producir los primeros rayos X (1875)
… pero en aquel momento nadie sabía qué estaba pasando
El primer “experimento de física de partículas” lo realizó
Ernest Rutherford, deduciendo la estructura del átomo (1911)
Estudio de la
dispersión de
radiación alfa en
una lámina de oro
Detector: placa fluorescente ZnS;
Resultados de los “choques”
registrados y analizados
“Acelerador”: núcleo de
235U
50
Los experimentos de LHC
ACELERADOR
COLISIÓN
DETECTOR
•
•
Experimentos actuales funcionan como gigantescas cámaras digitales
Distintas capas destinadas a medir distintas partículas
• 4 puntos de cruce de haces en LHC
– 2 experimentos para medidas específicas (más pequeños)
– 2 experimentos MULTIPROPÓSITO
• ¿Por qué 2 experimentos?
– Redundancia, optimización
• Las colisiones se dirigen al corazón de esos detectores / experimentos
– La física que pretendemos estudiar es la que marca las pautas de
funcionamiento del acelerador
51
Los cuatro fantásticos
52
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
Especializado en medidas durante colisiones ion-ion
Solenoide convencional. Extensa TPC. Detector muones asimétrico.
53
LHCb
Programa concentrado en el estudio de física del quark b
Los mesones B (contienen quarks b) generados en las colisiones de protones (y las
partículas en las que estos mesones se desintegran) tienden a viajar cerca de la línea
del haz. Esto se refleja en el diseño del detector.
Fragmento extendido de un detector 4π.
54
ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS)
Mayor que CMS, pero mucho más ligero (diseño
determinado por la configuración del imán)
⊕
µ
Pequeño solenoide + gran toroide (en aire) proporcionando
B= 1 T. Campo no uniforme, pero no hay dispersión
múltiple
55
56
2.3. Detectores de partículas
Detectores de partículas– Principios generales
El principio de funcionamiento de un detector de partículas está basado en
las distintas interacciones que las partículas dejan a su paso al
atravesar determinados materiales
Estas «huellas» nos indican de que tipo de partícula se trata, de su
energía, la carga eléctrica, el punto donde se originó
Las “huellas” dependen no sólo del tipo de partícula sino también del
material en que se producen
DETECTOR
Detectores de partículas– Principios generales
Las señales producidas al paso de las partículas permiten:
 Identificar todas las partículas presentes (muones, electrones, piones …)
 Medir las propiedades de estas partículas (masa, energía, momento, carga…)
 Reconstruir el proceso que las ha generado (algunas partículas solo pueden ser detectadas a
partir de sus productos de desintegración – W,Z,H…)
Cuando han dejado
huella muchas
partículas, distinguir
las huellas y asociarlas
a cada partícula puede
resultar complejo
AMS
Un experimento de altas energías típicamente combina numerosos
detectores / tecnologías de detección para conseguir una imagen
global del proceso estudiado.
Cada experimento se diseña en función de la física que se quiera
estudiar y las condiciones en las que se producen (natural/
aceleradores + energía, fondo, frecuencia, tasa de sucesos…)
usando aquellos detectores que mejor se adecúen a las
necesidades.
ANTARES
CMS
Tipos de detectores (LHC)
Muchos tipos de detectores, dependiendo del tipo de partícula y objetivo de la medida.
En los experimentos de LHC, el objetivo es identificar, medir trayectorias y energía/momento de
las partículas para reconstruir con precisión el proceso completo generado en la colisión.
2 tipos fundamentales:
DETECTORES DE IONIZACIÓN (medida de posiciones)
Una partícula cargada que atraviese un material puede ionizarlo.
Si logramos transformar esa ionización en una señal medible podríamos detectarla.
• Distintos materiales
– Gaseosos
– Líquidos
– De estado sólido - Semiconductores
CALORÍMETROS (medida de energía)
Las partículas son absorbidas por el material, transformando la energía en señales medibles que
permitan estimar su energía y posición
• Electromagnéticos (medida de fotones y electrones/positrones)
• Hadrónicos (piones, neutrones…)
Detectores gaseosos
Los iones y electrones creados en el gas se mueven en todas direcciones y perderán su energía en las
colisiones con el gas (termalización) y viajan cortas distancias hasta que se neutralizan.
La difusión de estos iones/electrones depende del gas
Si aplicamos un campo eléctrico al gas, los iones y electrones se moverán siguiendo las líneas del campo.
El movimiento de los electrones debido a E se denomina
velocidad de deriva y es proporcional al campo reducido
E/p
(p= presión del gas) (Vd ~ cm/ms)
p
ánodo
Efield
-
cátodo
+ 
Si el campo aplicado es suficientemente grande, el
electrón acelerado por el campo puede
adquirir energía suficiente como para volver a
ionizar y producir un nuevo electrón que a su
vez podrá ionizar de nuevo y así sucesivamente
dando lugar a una avalancha de electrones.
Los iones se mueven a velocidades mucho menores
(cm/ms) porque su masa es ~1000 veces mayor
Sí el campo eléctrico es suficientemente intenso los
electrones/iones llegarán hasta el ánodo/cátodo
Detectores gaseosos – Diseño básico
Dependiendo del campo E aplicado funcionará como:
Cámara de ionización
Contador proporcional
Contador geiger-muller
Detector Cilíndrico con un hilo en el centro
Detector de planos paralelos
2a (diámetro hilo) ~ 30-60 mm
Aplicando voltaje al hilo
𝑉0 1
𝐸 𝑟 =
𝑙𝑛 𝑏 𝑎 𝑟
E aumenta cerca del hilo
La avalancha solo se produce en las
cercanías del hilo
El campo es homogéneo en todo el
volumen del gas
La avalancha se produciría en cualquier
punto
Ejemplo: tubos de deriva (Drift Tubes, DT)
La partícula incidente ioniza el gas.
Los electrones liberados se mueven hacia el ánodo (derivan)
debido al campo eléctrico aplicado.
En las inmediaciones del ánodo el campo es muy intenso y se
produce una avalancha
Se mide el tiempo de llegada de las señales con respecto a
la señal de disparo t0 que generalmente se proporciona por
otro detector.
Esto nos permite calcular la posición de paso de la
partícula incidente
x   vD (t )dt
x
ánodo
Región E bajo
deriva
VD=Velocidad de deriva (~50 micras/ns)
Región E alto
 amplificación
Detectores semiconductores
Concepto similar a los gaseosos (aprovechar la ionización para medir posiciones)
Sin embargo el medio activo es un sólido semiconductor. Cuando una partícula atraviesa un material
semiconductor puede ionizar y producir un par electrón-hueco
Si T > 0K tendremos electrones libres que también se moverán en ese campo eléctrico
A temperatura ambiente el número de electrones libres es órdenes de magnitud superior al
número de electrones que puede generar una partícula por ionización
¿Cómo pueden eliminarse los electrones libres?
“Depletion region” en una unión p-n
Zona sin cargas libres, o zona de carga espacial
Debido a las diferencias de concentración de huecos y electrones en ambos materiales:
 Esto crea un campo eléctrico que detiene la difusión
Esta zona puede usarse como detector
No hay cargas libres que enmascaren la señal
El campo E originado permite la deriva de los electrones
producidos por la partícula incidente que pueden
recogerse para producir la señal (pero este campo es
débil)
t
Depletion region
Detectores de silicio
Los detectores de silicio son diodos p-n
operando con polarización inversa
Las partículas cruzando la zona sin cargas
libres producirán electrones que se moverán
en el campo eléctrico y producirán una señal
como ocurría en los detectores gaseosos
p
Debido a la alta densidad del silicio
(especialmente si lo comparamos con un gas) y a
su baja energía de ionización (WI = 3.6 eV) bastan
100-300 m para poder tener una señal.
(dE/dx)Silicio = 3.87 MeV /cm  3.2 104 pares e-h en 300m ~106 pares/m
En los detectores gaseosos por ionización se producen tan solo ~100 pares e-ion por cm
 Se necesita trabajar en modo avalancha para tener señales mayores
Pero solo será posible trabajar en la zona sin cargas libres puesto que el silicio a 300K
tiene 4.35 108 pares e-h en 300m en un área 1x1 cm2
Al igual que en los detectores gaseosos los electrones
 Derivan (los huecos tienen vd similar a e-, no
como los iones en el gas)
 Se difunden (~8m en 300m de deriva)
Se ven afectados por 𝑩
Del mismo modo que con los detectores gaseosos necesitamos
un circuito y electrónica externa para leer las señales
Calorimetría – Principios generales
Los calorímetros se utilizan para medir
- Energía de las partículas
- Posición
- Naturaleza de la partícula
Conceptualmente es un bloque de materia suficientemente grande para que la partícula sea
absorbida completamente y transforme parte de la energía en una señal medible proporcional a la
energía incidente.
Es un proceso destructivo
Permiten medir tanto partículas cargadas como neutras
Las partículas interaccionan con el material y crean partículas secundarias que a su vez pueden
dar lugar a otras nuevas generándose una cascada de partículas.
Los procesos que forman la cascada dependen del tipo de partícula y material.
Podemos distinguir dos tipos:
Cascadas electromagnéticas (e,  )
Cascadas hadrónicas (, p, K
n, K0L )
Los muones y neutrinos no son absorbidos en los calorímetros.
Podemos identificar que se trata de un muon porque penetra todo el calorímetro y deja una señal
compatible con una MIP
Los neutrinos no dejarán señal
Calorimetría – Principios generales
Por su configuración podemos distinguir:
Calorímetros homogéneos:
Formados por un solo material que sirve para absorber las
partículas y producir la señal
Calorímetros de muestreo
Formados por dos materiales:
- Absorbente, de mayor densidad (alto Z) donde se
absorbe la partícula y se produce la cascada
- Medio Activo o de lectura, donde se produce la
señal (solamente se leerá la señal de una parte de la cascada)
Los calorímetros de muestreo utilizan como medio
activo distintos tipos de detectores (gaseosos,
centelleo…)
Cascada electromagnética – Desarrollo de la cascada
Un electrón que atraviese el material producirá fotones
debido al bremsstrahlung
Esos fotones se aniquilarán produciendo pares e+eLos nuevos e+ y e- radiarán más fotones que a su vez
producen más pares e+eSi la cascada la inicia un fotón producirá pares e+e- y a partir
de ahí continúa desarrollándose la cascada.
e-
e+

e-
e-

e+

e+
e-


e+
ee-

e+
Llega un momento en la que el número de partículas deja de aumentar ya que cada
partícula nueva tiene menos energía que la anterior.
Cuando los fotones emitidos tienen E < 𝟐𝒎𝒆 𝒄𝟐 los fotones sólo podrán producir 1 electrón
Cuando la energía de los e+ y e- disminuye las pérdidas por ionización se van haciendo más
importantes y por debajo de la energía crítica la cascada empieza a decrecer.
Importante longitud de interacción
e-
e+

e+
e-
Cascada hadrónica - Espalación
Conceptualmente es análogo a la cascada e.m. pero mucho más compleja
Mayor variedad y complejidad de procesos implicados
Un hadrón al penetrar en el material ionizará el
material hasta que se aproxime lo suficiente a un
núcleo como para experimentar una interacción
fuerte y lo más probable es que se produzca un
proceso de espalación:
I. Una serie de colisiones de partículas
independientes dentro del núcleo, los
nucleones tienen energía para viajar dentro
del núcleo e interaccionar con otras 
Cascada intranuclear
Se pueden crear piones y otros hadrones
Estas partículas puede llegar a escapar del
núcleo
Esta primera fase Espalación rápida
II. Los núcleos posteriormente se podrán desexcitar emitiendo partículas (principalmente n,)
Si el material es pesado puede producirse fisión originando energía (160-210 MeV) (Cinética +
excitación). Se desexcitarán emitiendo n,
70
Cascada hadrónica
Algunas de las nuevas partículas sufren sólo interacciones electromagnéticas (p.ej.  producidos
de las desintegraciones de 0 y h).
En las primeras fases de la cascada hadrónica las partículas son muy energéticas y pueden producir
piones.
El número promedio
1/3 serán 0
𝐸0
𝑁𝜋 = 2
𝑚𝑛 𝑐 3
1
4
𝑚𝑛 y 𝐸0 = masa y energía del nucleón incidente
El número de 0 producidos varía mucho de un suceso a otro.
Depende de la primera fase de la cascada donde el proceso es posible
La cascada hadrónica tendrá dos componentes
1. Una cascada electromagnética por e+,e-, , (originada principalmente desde 0)
2. Una cascada puramente hadrónica (p,K,±, iones ligeros…)
En las cascadas hadrónicas no toda la energía del hadrón incidente se convierte en energía
detectable. La energía “invisible” (hasta el 40%) es debida a:
-
Neutrinos no interaccionan en el material
Muones depositan una pequeña fracción de su energía
Neutrones lentos que pueden escapar del detector
Energía de ligadura y retroceso nuclear (la contribución más importante)
Otros tipos de detectores
Para medir la energía de la(s) partícula(s) absorbida(s), los calorímetros contienen / están formados por:
CENTELLEADORES
Para algunos materiales los átomos o moléculas excitados al paso de partículas pueden decaer
emitiendo luz. En algunos casos esa luz no es reabsorbida y puede detectarse.
Existen varias categorías de este tipo de materiales (centelleadores), en cada una de ellas la luz
se produce por un mecanismo diferente:
Orgánicos / Inorgánicos / Gases nobles
FOTODETECTORES
Existen distintos detectores usados
comúnmente como detector de fotones
acoplado a un material de centelleo.
El objetivo es transformar la luz en una
señal eléctrica medible
Fotodetectores de vacío (PMTs…)
Detectores de estado sólido (APDs, SiPMs…)
Detectores híbridos (HPD)
Identificación de partículas
La identificación de partículas es un aspecto crucial en los experimentos de
física de partículas.
•
•
•
•
•
•
Electrones y hadrones producen cascadas diferentes en los calorímetros.
Las medida de la masa puede obtenerse a partir de la relación entre el momento y la velocidad.
Las partículas pueden ser identificadas por su masa y por el modo en que interactúan con el medio.
Los hadrones neutros además no dejarán señal en el detector de trazas porque no ionizan el medio
Los fotones tampoco ionizan, producirán un par e+e- y una cascada e.m
Los muones ionizan, atraviesan todo el sistema de detectores depositando poca señal en ellos (MIP)
Fundamental la medida de momento/velocidad/energía/carga
La identificación de la partícula medida se puede conseguir combinando
información de distintos detectores.
Algunos detectores específicos (o cuentan con características que lo
permiten)
Cherenkov / TRD / TPCs…
73