Detektorji prehodnega sevanja pri eksperimentu ALICE
Transcription
Detektorji prehodnega sevanja pri eksperimentu ALICE
Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko Oddelek za fiziko Seminar 1a Detektorji prehodnega sevanja pri eksperimentu ALICE Avtor: Tadej Novak Mentor: prof. dr. Boštjan Golob Povzetek Nabiti delci ob prehodu meje med dvema medijema z različno dielektrično konstanto sevajo prehodno sevanje. Ta lastnost je koristna za ločevanje med delci pri gibalnih količinah nad GeV/c in se uporablja v eksperimentih fizike osnovnih delcev. V seminarju bom predstavil nastanek prehodnega sevanja, njegovo detekcijo in aplikativno uporabo na detektorju prehodnega sevanja pri eksperimentu ALICE. marec 2015 Kazalo 1 Uvod 2 2 Prehodno sevanje 2.1 Preprost model . . . . . . . 2.2 Matematični opis . . . . . . 2.3 Sevanje ob prehodu več mej 2.4 Druge oblike sevalcev . . . . . . . . 2 3 3 4 5 3 Detektor prehodnega sevanja 3.1 Proporcionalni števci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Večanodna pomnoževalna celica in potovalna komora . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Zasnova detektorja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 6 7 4 ALICE 4.1 Zgradba detektorja prehodnega sevanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Identifikacija delcev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Zaključek 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Uvod V eksperimentalni fiziki osnovnih delcev raziskujemo lastnosti najmanjših gradnikov snovi. Osredotočamo se na dve področji raziskovanja, iskanje nove fizike in natančno merjenje lastnosti že znanih procesov. Pri obeh je pomembno, da čim bolj pravilno identificiramo vse delce, ki nastanejo v trkih, za kar moramo zasnovati in zgraditi ustrezne namenske detektorje in detektorske sisteme. Interakcijo nabitega delca z medijem lahko opazujemo preko izsevanih fotonov, ki so posledica elektromagnetne interakcije. Procesi, ki so s tem povezani so ionizacija, zavorno sevanje, sevanje Čerenkova in prehodno sevanje [1]. Slednje sta prvič teoretično predvidila Ginzburg in Frank leta 1946, prvič pa sta leta 1959 v optični domeni proces opazila Goldsmith in Jelley [2]. Šele po petnajstih letih je bila ugotovljena pomembnost prehodnega sevanja za identifikacijo delcev. Spekter prehodnega sevanja pri visoko relativističnih nabitih delcih z Lorentzovim faktorjem γ & 1000 sega v območje rentgenskih žarkov [3]. Čeprav je verjetnost za izsevanje takih fotonov majhna, je oddana energija velika v primerjavi z ionizacijo. Prehodno sevanje se zato uporablja za ločevanje med delci z veliko gibalno količino. Prehodno sevanje se uspešno uporablja v različnih detektorjih, ki so sestavni deli eksperimentov na pospeševalnikih, kot sta ATLAS in ALICE v CERNu, pa tudi v astrofiziki osnovnih delcev in eksperimentih s kozmični delci, kot je Alpha Magnetic Spectrometer na Mednarodni vesoljski postaji. Večinoma se v eksperimentih uporabljajo za ločevanje med elektroni in hadroni, delci sestavljenimi iz kvarkov, pa tudi za ločevanje med pozameznimi vrstami hadronov. 2 Prehodno sevanje Nabit delec vedno izseva t.i. prehodno sevanje, ko potuje čez medij s spreminjajočo dielektrično konstanto. Fotoni se torej izsevajo tudi na meji med dvema snovema, na primer na meji vakuum → snov. Nabit delec, ki se giblje v vakuumu, tvori skupaj z zrcaljenim nabojem v snovi električni 2 dipol. Jakost električnega polja, ki je njegova posledica, se s približevanjem meji spreminja in izgine, ko jo delec preide. Dipolni moment se spreminja in to povzroči sevanje. 2.1 Preprost model Gibajoči nabit delec z nabojem e naj se premika proti meji med dvema različnima snovema s hitrostjo v(t). Skupaj z zrcalnim nabojem nosi električni dipolni moment p = −2e · vt · Θ(t), kjer je Θ Heavysideova funkcija, ki predstavlja prehod meje ob času t = 0. Gostota energijskega toka dipola znaša dW sin2 θ = p̈2 . (1) dΩ 4πr2 c3 ˙ = −δ(t)/t ter z njima poenostavimo Upoštevamo zvezi Θ̇(t) = δ(t) in δ(t) p̈ = −2evδ(t) = 2ev Z eiωt dω , (2) kjer smo v zadnjem koraku Diracovo funkcijo delta zapisali z njeno Fourierovo transformacijo. Gostota energijskega toka se tako poenostavi v [4] d2 W 8e2 v 2 sin2 θ = . dω dΩ 4πr2 c3 (3) Porazdelitev izsevanega spektra po frekvenci znaša dW 16 e2 v 2 E = ∝α 2 , 3 dω 3 c mc (4) kjer je α = 1/137 konstanta fine strukture. Natančnejša izpeljava je zahtevna, zato bom v nadaljevanju predstavil le rezultat v enačbi (5). 2.2 Matematični opis Relativistični delec s hitrostjo v na meji dveh različnih dielektričnih materialov z dielektričnima konstantama 1 in 2 izseva prehodno sevanje v polprostor v smeri gibanja. Zaradi preprostosti in boljše preglednosti, si oglejmo prehod delca iz medija v vakuum, torej 1 = in 2 = 1. Energijski spekter izsevane svetlobe [5] lahko opišemo kot d2 W dω dθ = 2e2 β 2 πc3 2 p 2 − β − sin2 θ ( − 1) 1 − β sin p p , 2 2 (1 − β 2 cos2 θ) 1 − β − sin θ cos θ + − sin θ (5) 1 − β 2 cos2 θ = 1 − (1 − γ −2 ) cos2 θ ≈ γ −2 + θ2 , (6) 2 θ cos2 θ kjer je e naboj delca, β = v/c razmerje hitrosti delca s hitrostjo svetlobe v vakuumu, ω frekvenca in θ kot izsevane svetlobe. Za relativistične delce z velikim Lorentzovim faktorjem γ 1 ima sevanje oster maksimum pri majnih kotih. Člen v imenovalcu razvijemo za majhne kote in velik γ kot iz česar sledi, da je sevanje najmočnejše pri kotih reda 1/γ. Najvišji prispevek k spektru nam dajo dielektrične konstante, ki se od ena ne razlikujejo močno. Za visoke frekvence jih lahko zapišemo kot = 1 − ωp2 /ω 2 = 1 − ξ 2 , (7) 3 kjer je ωp = r 4παne ≈ 28,8 me r ρ Z eV A (8) plazemska frekvenca snovi, izražena z konstanto fine strukture α, gostoto elektronov v mediju ne in maso elektrona me . V aproksimaciji jo lahko ocenimo z gostoto medija ρ v g/cm3 in povprečnim razmerjem naboja in mase Z/A. Tipični vrednosti za plazemsko frekvenco sta ωpCH2 = 20,6 eV za polietilen in ωpzrak = 0,7 eV za zrak. S podobnim postopkom kot ocenimo kotno odvisnost maksimuma lahko poenostavimo še odvisnost od dielektrične konstante. ξ 2 1 in θ 1 sta oba reda 1/γ. Za prehod med splošnima dvema medijema se tako enačba (5) pri pogoju ω1 > ω2 prepiše v d2 W 2αθ3 = dω dθ π 1 1 − −2 2 −2 2 γ + θ + ξ1 γ + θ2 + ξ22 !2 . (9) Ker so koti izsevane svetlobe običajno majhni, izraz pogosto integriramo po kotu in dobimo ! γ −2 + ξ12 dW α ξ12 + ξ22 + 2γ −2 log −2 −2 . (10) = dω π ξ12 − ξ22 γ + ξ22 2.3 Sevanje ob prehodu več mej Najprej definirajmo tako imenovano območje nastanka Z= 2βc , γ −2 + θ2 + ξ 2 (11) ki ga lahko interpretiramo kot razdaljo, po kateri se elektromagnetno polje nabitega delca preoblikuje in izseva foton. Običajne velikosti Z so reda valovne dolžine prehodnega sevanja med nekaj deset do nekaj sto mikrometrov [3]. Pogosto so sevalci znotraj detektorjev prehodnega sevanja sestavljeni iz folij. Posamezna folija ima dve meji, kjer se spremeni dielektrična konstanta in s tem lomni količnik. Prispevka obeh se seštejeta v ! ! d2 W d2 W = × 4 sin2 φ/2 , (12) dω dθ dω dθ folija meja kjer je interferenčna faza φ ≈ l/Z odvisna od območja nastanka Z in debeline medija l. Povprečna amplitudna modulacija je 4 sin2 (φ/2) ≈ 2. Razliko med spekroma ene meje in folije si lahko ogledamo na sliki 1a. Večina izsevanih fotonov je v območju rentgenskih žarkov z energijami med 0,1 in 100 keV. Detektor ne vsebuje le ene folije, poleg tega pa se v njem del fotonov tudi absorbira. Za sistem Nf folij debeline l1 , ločenih s plastmi plina debeline l2 , je energijski spekter ! ! sin2 Nf φ12 /2 + sinh2 Nf σ/4 d2 W 1 − Nf d2 W = × exp σ . (13) dω dθ dω dθ 2 sin2 φ12 /2 + sin2 σ/4 sistem folija Pri tem smo uporabili fazo φ12 = φ1 + φ2 in presek za absorbcijo v mediju σ = σ1 + σ2 . Slednji je za fotone z energijo reda keV in nižje zelo velik, zato se jih večina absorbira že v samem sevalcu. Vpliv absorbcije na spekter je prikazan na sliki 1b. 4 27. Passage of particles through matter 36 divergence. For a particle with γ = 103 , the radiated photons are in the soft x-ray 2 to 40 keV. The γ dependence of the emitted energy thus comes from the Transition range Radiation – Properties 10 1023452',674-82049 - Threshold effect due to absorption -2 !"−$ "#$"A!!ωDE'F0::=-=920,+'*0=+F'8=-'092=-:,>='AB=C.B=CD dW/dE per interface hardening of the spectrum rather than from an increased quantum yield. ➛ need X-rays single interface dS ~ α; only small single- foil 10 10 number of photons -3 ➛ need many foils γ=2x104 Mylar, l1=25 µm - interference between Air, l2=1.5 mm -4 successive interfaces ➛ oscillations 10 $&'µ(')*+,-.!/&'((',0γ = 2 ×!"% ;09<+='092=-:,>= $""':40+7 !"−# 1023',674-82049 !"−% -5 1 10 2 10 10 Photon energy (keV) !"−5 3 ! !" !"" '''?@-,*'=9=-<*'''ω!''AB=CD !""" Figure 27.25: X-ray photon energy (b) spectra for a radiator consisting of 200 Figure 1: TR spectrum for single interface and single foil configurations. (a) 25 µm thick foils of Mylar with 1.5 mm spacing in air (solid lines) and for a surface (dashed line). are fotona shown with absorption. Slika 1: (a) Primerjava energijskegasingle spektra v odvisnosti odCurves energije medand enowithout mejo in where 4 sin2 ( 1 /2) is the interference factor. The phase Adapted toRef. the85. formation 1 is related from folijo. sta zrak folija Mylar. 2 [2]2 (b) Vpliv absorbcije na energijski ength Zi (see below) andMedija the thickness li ofin theprozorna respectiveplastična medium, i.e. +✓ + i ' ( 2 spekter prehodnega sevanja. [4] ⇠ )!li /(2 c). Following the arguments in Ref. [7] the average amplitude modulation The number of photons with is energy !ω > !ω0 is given by the answer to problem i h4 sin2 ( 1 /2)i ⇡ 2. The above spectra are shown in Fig. 1 for one interface of a single 13.15 in Ref. 32, !" $ #2 2 2 Mylar foil (25 µm) in air (using the same parameters as in Ref. [7]). ! ωp γ αz π oblike sevalcev Nγ (!ω > in !ω0the )= ln −1 + , (27.46) Absorption of 2.4 TR inDruge the material of the radiator has not been considered π ! ω0 12 above. The e↵ective TR yield, measured prehodnega at the exit ofsevanja the radiator, is strongly sup- oblik, primer dveh lahko viSevalci v detektorjih so lahko tudi drugih within corrections ofFig. order (!ω0 /γ !ωp )2 . The number of photons above a fixed pressed by absorption for energies below a few keV [7] (see also [46]), see 3 below. dimo na sliki 2. V splošnem je energijski izsevanih izračunati, zatoa se energy !ω0 spekter ≪ γ !ωp thus grows fotonov as (ln γ)2 ,težko but the number above fixed fraction tam za izračun uporabljajo simulacije. Sistem primerjajo s podobnim plastovitim sevalcem z> γ !ωp /10, of γ ! ω (as in the example above) is constant. For example, for ! ω p 2.2. TR production in regular multiple foil radiators 2. enakomernim razmaki ali pa osnovni z efektivnim faktorjem Nγ = spekter 2.519 αz 2ene /π =meje 0.59%(9) × zpomnožijo As shown above the emission probability for a TR photon in the plateau region The particle stays “in phase” swith the x penasti ray overpa a distance izkoristka. imajo primerljive lastnosti folijami, ustvarijocalled the s of order ⇡/↵ per interface. Sevalci For this vtoobliki lead tovlaken a significant particle discrimination formation length, d(ω). Most of the radiation is produced in a distance manj prehodnega sevanja. in [2]a single radiator. For a2 stack2 of N2 f 2 −1 one needs to realize many of theses interfaces d(ω) = (2c/ω)(1/γ + θ + ωp /ω ) . Here θ is the x-ray emission angle, oils of thickness l1 , separated by a medium (usually acharacteristically gas) of thickness1/γ. l2 , the Fordouble θ = 1/γ the formation length has a maximum at √ √ di↵erential energy spectrum is: d(γωp / 2) = γc/ 2 ωp . In practical situations it is tens of µm. ✓ 2 ◆ ✓ 2 ◆ ✓ ◆ 2 February 2, 2010 15:55 dW dW 1 Nf sin (Nf 12 /2) + sinh2 (Nf /4) = ⇥ exp (5) d!d⌦ stack d!d⌦ f oil 2 sin2 ( 12 /2) + sinh2 ( /4) where 12 = 1 + 2 is the phase retardation, with i ' ( 2 + ✓2 + ⇠i2 )!li /2, and = 1 + 2 is the absorption cross section for the radiator materials (foil + gas). Due to the large absorption cross section below a few keV, low-energy TR photons are mostly absorbed by the radiator itself. The TR produced by a multi-foil radiator can be characterized by the following qualitative features: Slika 2: Primera sevalcev splošnejših oblik, ki sta v uporabi pri eksperimentu ALICE. Levo: 3 pena Rohacell, desno: polipropilenska vlakna. [6] 5 3 3.1 Detektor prehodnega sevanja Proporcionalni števci Od vsega začetka se za detekcijo prehodnega sevanja najpogosteje uporabljajo proporcionalni števci in njihove izpeljanke [5]. Proporcialni števci so oblika ionizacijskih celic in so običajno valjaste oblike z anodno žico na sredini in katodnim plaščem. Za razliko od običajnih ionizacijskih celic, so tu jakosti električnega polja nekoliko višje, med 104 in 105 V/cm. Notranjost celice je zapolnjena z neinertnim plinom, običajno z žlahtnim Ar, Kr ali Xe, ki mu je primešano nekaj drugega plina, ki poskrbi za razelektritvene plazove. Primarni prost elektron, ki v plinu nastane zaradi ionizacije ali pa absorbcije rentgenskih žarkov, se pod vplivom električnega polja kondenzatorja pospeši in ob zadostni energiji povzroči sekundarno ionizacijo in s tem plaz elektronov in ionov - t.i. Townsendov plaz. Fotoni z energijami tipičnimi za prehodno sevanje povzročajo predvsem fotoefekt in Comptonovo sipanje, kar je vir primarnih elektronov. Količina prostega naboja se ojača s plinskim ojačitvenim faktorjem A glede na primarno ionizacijo N e. Tako znaša napetostni signal, ki ga zaznamo na elektrodah, ∆U = −A Ne , C (14) kjer je C kapacitivnost kondenzatorja. Število parov elektron-ion, ki jih povzroči elektron na poti dolžine 1 cm določa prvi Townsendov koeficient α. Zanje velja dN (x) = N (x)α(x) dx. Iz te relacije sledi vrednost ojačitvenega faktorja Z A = exp α(x) dx (15) z običajnimi vrednostmi 104 -106 v območju, kjer je električno polje zadostno za sekundarno ionizacijo. Shematični prikaz procesa je prikazan na sliki 3, kjer je tudi označeno območje plazenja. Slika 3: Shematični prikaz delovanja proporcionalnih števcev na primeru nabitega delca, ki ionizira plin v celici. [7] 3.2 Večanodna pomnoževalna celica in potovalna komora V detektorjih potrebujemo večje zaznavno območje in s tem tudi krajevno občutljivost, zato uporabimo večanodno pomnoževalno celico. Anodne žice so v enakomernih razdaljah porazdeljene med dvema katodnima ravninama, ki je lahko v obliki folije ali žic. Jakost električnega 6 polja v bližini posamezne anode je podobno kot pri valjastem kondenzatorju. Anoda, kjer zaznamo pulz, nam predstavlja prostorsko koordinato v detektorju. Detekcija poteka podobno kot pri običajnem proporcionalnem števcu. Primarni elektron se giblje proti anodi in pri zadostni energiji sproži plaz. Oblak sekundarnih elektronov obda žico, ioni pa se radialno umaknejo proč. Vsaka anoda se obnaša kot samostojen detektor, saj se vpliv negativnih elektronov na sosednjih anodah izniči z njihovimi pozitivnimi ionskimi pari, ki pripotujejo do anode. Komoro lahko še dodatno nadgradimo v potovalno celico. V njej je v večjem delu prostora električno polje s konstantno jakostjo, kjer primarni elektroni potujejo prodi pomnoževalnem delu. Z določanjem potovalnega časa primarnih elektronov dobimo dodatno prostorsko informacijo. Celico bom predstavil na primeru eksperimenta ALICE v nadaljevanju. 3.3 Zasnova detektorja Vsak detektor prehodnega sevanja je sestavljen iz sevalca in detektorja izsevanih fotonov. Izbira oblike sevalca je odvisna od preferenc posameznega eksperimenta, saj imajo tako folije, kot tudi vlakna in pene primerljive lastnosti. Bolj pomembna je izbira materiala. Imeti mora dovolj nizek absorbcijski koeficient rentgenskih žarkov, ob tem pa mora proizvesti dovolj prehodnega sevanja. Folije so tako pogosto iz litija, berilija ali polipropilena, plin med njimi pa je kar zrak, dušik ali ogljikov dioksid. V tabeli 1 so predstavljene lastnosti nekaterih izmed sevalcev. Material litij berilij aluminij polietilen CH2 Mylar C5 H4 O2 zrak Gostota ρ [g cm−3 ] 0,534 1,84 2,70 0,925 1,38 2,2 · 10−3 Plazemska f. ωp [eV] 13,8 26,1 32,8 20,9 24,4 0,7 Absorbcijski koef. pri 10 keV [cm−1 ] 7,09 · 10−2 7,19 · 10−1 7,14 · 101 1,79 · 100 8,07 · 100 9,10 · 10−2 Radiacijska dolžina X0 [cm] 148 34,7 8,91 49 28,7 30870 Tabela 1: Lastnosti materialov, ki se uporabljajo za sevalce [5] Kot nam kaže enačba (13), spekter in količino prehodnega sevanja določata debelini folij, razmika l1 in l2 ter število folij Nf . Idealna velikost razmika je 1 mm, kjer se izseva največ fotonov prehodnega sevanja, vendar je dimenzije treba prilagajati detektorju in celotnemu detektorskemu sistemu [2]. Za detekcijo prehodnega sevanja se največ uporabljajo plinski detektorji. Najpogosteje se uporablja mešanica ksenona in ogljikovega dioksida. Namesto slednjega bi lahko uporabljali tudi metan, a zaradi svoje vnetljivosti v eksperimentih ni primeren. Debelina detektorskega dela je odvisna od učinkovitosti absorbcije rentgenskih žarkov v plinu. Za dobro delovanje je dovolj že 1,5 cm. Končna velikost in sestava je odvisna tudi od detektorskega sistema. Za detektorji prehodnega sevanja so postavljene še druge komponente, kot so merilci časa preleta in kalorimetri, na meritve katerih ne smemo preveč vplivati. Debelina detektorja vpliva tudi na branje elektronskih signalov. Tanke plasti omogočajo hitro branje, debelejše pa so bolj primerne za veliko gostoto sledi. 7 4 ALICE ALICE je eden izmed štirih velikih detektorskih eksperimentov na Velikem hadronskem trkalniku (LHC) v CERNu, Evropski organizaciji za jedrske raziskave, v Ženevi v Švici. LHC je največji in najmočnejši pospeševalnik na svetu. Njegov glavni obroč ima obseg 27 km, za potrebe delovanja pa je hlajen s tekočim helijem na 1,9 K [8]. Najvišja težiščna energija, ki so dosegli do sedaj je 8 TeV. Kratica ALICE v angleščini pomeni A Large Ion Collider Experiment. Poleg običajnih trkov med dvema protonoma (pp) je bolj specializiran za študijo trkov težkih ionov s protonom (pA) in trkov ionov med seboj (AA). Poglavitno se uporabljajo svinčevi ioni. Glavni cilj je raziskovanje snovi velike gostote, ki med seboj močno interagira, t.i. plazma kvarkov in gluonov. Na sliki 4 je predstavljen prečni prerez detektorskega sistema. Sestavljen je iz treh glavnih sklopov, sledilnega sistema, identifikacije delcev in kalorimetrov. Detektor prehodnega sevanja (TRD) se nahaja na meji med sledilnim in identifikacijskim delom, saj tukaj opravlja obe nalogi. Delci, nastali ob trku v žarkovni liniji, na poti do njega prodrejo skozi silicijeve sledilne detektorje (ITS) in časovno projekcijsko komoro (TPC). Takoj za njim se nahajajo merilci časa preleta (TOF) in detektorji sevanja Čerenkova delcev z veliko gibalno količino (HMPID). 4.1 Zgradba detektorja prehodnega sevanja Detektor prehodnega sevanja je sestavljen iz 540 komor, ki so združene v 18 t.i. supermodulov. Vsak vsebuje 30 komor razporejenih v 6 plasti na razdalji 2,9 ≤ r ≤ 3,7 m od žarkovne linije. Njihova dolžina se spreminja z oddaljenostjo in je največ 7 m, saj upošteva želeno območje detekcije |η| < 0,84, kjer je η psevdorapidnost [10]. Psevdorapidnost je v fiziki osnovnih delcev uporabljena prostorska koordinata, ki predstavlja Slika 4: Prečni prerez detektorskega sistema eksperimenta ALICE. Detektor prehodnega sevanja je označen z angleško kratico TRD. [9] 8 (a) (b) Slika 5: (a) Shema postavitve komor detektorja prehodnega sevanja pri eksperimentu ALICE. (b) Fotografija posameznega modula med izdelavo. [2] kot θ med potjo delca in žarkovno linijo, in je definirana kot θ η ≡ − log tan . 2 (16) Je liha okoli kota 90◦ , kjer ima vrednost 0, pri kotu 45◦ pa znaša 0,88. Posamezna komora je sestavljena iz 4,8 cm debele plasti sevalca. Za sevalec je izbran sendvič polipropilenskih vlaken in pene Rohacell, ki skupaj ustvarita veliko mej med dvema medijema z različno dielektrično konstanto. Razlog za izbiro takega sevalca je predvsem mehanska odpornost pred deformacijami zaradi razlik v tlaku. Za spremembe do 1 mbar je deformacija celotne komore manjša od 1 mm. Sevalec iz 100 plasti folij ob upoštevanju absorbcije izseva v povprečju en foton z energijo mehkih rentgenskih žarkov v energijskem območju, ki je uporabno za detekcijo. V ALICE je povprečna vrednost 1,45 fotonov na delec v območju 1-30 keV. Prehodno sevanje zaznamo v potovalni komori, ki jo lahko razdelimo na 3 cm območje potovanja z jakostjo električnega polja 0,7 kV/cm in 0,7 cm večanodni pomnoževalni del. Njena shema je predstavljena na sliki 6. Celotna komora je napolnjena z mešanico ksenona in ogljikovega dioksida z razmerjem Xe : CO2 = 85 : 15. Napetostni sunek odčitavamo na katodnih ploščah s frekvenco 10 MHz. Skupaj je vseh plošč 1,18·106 in pokrijejo površino 716 m2 . Elektronika je nameščena direktno na zadnjo stran katod in zaznava celoten časovni potek potovanja. Detektorski element je dodatno ojačan s karbonskimi vlakni, elektronika pa ima še svoje lastno vodno hlajenje. Skupna debelina tako znaša 12,5 cm. 4.2 Identifikacija delcev Detektor prehodnega sevanja uporabljen v ALICE se uporablja za ločevanje elektronov od nabitih pionov π pri gibalnih količinah p > 1 GeV/c. Za uspešen doseg fizikalnih ciljev, mora detektor pione zavreči s faktorjem 100 pri učinkovitosti identifikacije elektronov 90 %. Na tem mestu definirajmo učinkovitost detektorja η za sprejetje ali zavrnitev posameznega delca η= Nzaznani . Nvsi 9 (17) SNIC Symposium, Stanford, California -- 3-6 April 2006 cathode pads pion electron electron cathode pads 3 anode wires 4 5 anode wires amplification region amplification region cathode wires cathode wires Drift Chamber Signal 100 75 50 25 drift region drift region 0 2 Time bin 4 Drift Chamber primary clusters 6 8 10 12 14 entrance window 1 x x Radiator z 2 3 4 5 6 7 8 er Pad numb Radiator y pion TR photon electron electron Figure 3: Schematic illustration of the TRD principle. The left panel shows a projection in the plane perpendicular to Shemaproduced potovalne komore inenergy procesa ionizacije delcev in the fotonov pretheSlika wires.6:Electrons by ionization loss (dE/dx) andzaradi by TRprimarnih absorption drift along field lines towards the anode wires. The right panel shows a projection in the bending plane of the ALICE magnetic field. In this hodnega sevanja. Sevalec ni v razmerju s komoro. [11] direction the cathode plane is segmented into pads from 0.635 to 0.785 cm width. The insert shows for a measured electron track the distribution of pulse height over pads and time bins spanning the drift region. The radiator is not to scale. Average pulse height [mV] Učinkovitost zavrnitve je definirana kot kvocient števila pionov, ki so bili identificirani kot elektroni, in števila vseh pionov. Faktor zavračanjaSchematic je obratna vrednost torej v cross sectionsučinkovitosti, of a TRD drift chamber 120 e, dE/dx+TR are shown in Fig. 3. The width of the amplification našem primeru zaznamo 1 pion kot elektron na 100 pionov. e, dE/dx regionizgubi is 0.7 cm, the width of the absorbiranega drift region is 3 cm dE/dx Pri identifikaciji siπ,pomagamo z energijo, ki jo delec v plinu, in energijo 100 and the thickness of the radiator is 4.8 cm. For pions prehodnega sevanja. V spekter odložene energije dE/ dx se v tem seminarju ne bom spuščal. only ionization clusters are produced in the gas, while 80 Glavna razlika medi pionom in elektronom je, da prvi enaki TR gibalni količini ne sevaon prehodno. for pri electrons energy is deposited top. A heavy 2 Prag za60prehodno sevanje je pri γ ≈ 1000. Pion z maso mπ = 140 MeV/c ima pri gibalni gas mixture based on Xenon is used to količini provide e±2 je več kot stokrat manjša od p = 1 GeV/c faktor γ ≈ 7. Masa elektrona me =cient 0,51TR MeV/c photon absorption; 15 % CO2 is added as a 40 da pri isti gibalni količini mnogo večji γ ≈ quencher. piona in 2000 [12]. Na sliki 6 vidimo s2krogi označene primarne elektrone, ki nastanejo v komori za oba delca. p = GeV/c 20 Oba na svoji celotni poti ionizirata plin in s tem ustvarita proste elektrone. Skupaj z elektronom 0 v komoro vstopi tudi prehodno sevanje. The iz sevalca To se hitro absorbira in ustvari nekajkrat free electrons produced by ionization and TR 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 več elektronov kot Drift sam time delec[µs] z ionizacijo. absorption drift towards the anode wires where they avalanches.povprečna The driftvišina chambers are operated Razlika napetostnih sunkov je opazna. Na sliki create 7a je prikazana električnega Figure 4: Average pulse height as function of the drift at low gas gain to avoid space charge eÆects sunka za pion in elektron s prehodnim sevanjem in brez za p = 2 GeV/c. Iz nje je razvidno,[3]. da The time. signals induced on the cathode pads (º 0.75 £ 8 cm2 ) se res večina prehodnega sevanja absorbira hitro poareprihodu v celico in je zato čas potovanja po read out at 10 MHz such that the signal height on komori daljši. Vrh pri krajših časih je posledica lastnosti večanodne pomnoževalne all pads can be sampled in time bins ofcelice, 100 nssaj width. cm naboj blizu žice lebdi z is vseh strani.by fast (∞ > Transition radiation (TR) produced Due to the drift velocity in the drift region of 1.5 ª µs 1 000) particles at podatke the crossing of boundaries betweenVerjetnost Izmerjene statistično obdelamo. P za elektron lahko izrazimo z verjea time bin corresponds to a space interval of 1.5 mm materials withporazdelitvami diÆerent dielectric In the in(E drift second direction tnostnimi P (Econstants. za pion, Akjer je Ecoordinate signala, i |e) za elektron in P i |π)direction. i energija(the momentum range from 1 to 10 GeV/c only electrons running parallel to the wires) can be reconstructed by kot produce TR. The production probability is aboutY 1% N Non adjacent cathode pads, such that charge sharingY Pe per boundary crossing, thus the bending plane P =several hundred , Pinterfaces P (Eitracking |e) , Pin P (Ei |π) . becomes possible. (18) e = π = Pe + PπTaking into acare used in practical TR detectors. i=1 i=1 count absorption inside the radiator itself, a radiator po plasteh detektorja. of Produkti about 100 tečejo foils produces about one net TR photon with energy in the useful range of soft X-rays Fig. 4 Na shows average [4] for electrons and Samo učinkovitost lahko izračunamo po (1 več metodah. sliki 7b je signals prikazana primerjava to za 30 keV). In the ALICE TRD a sandwich radiator pions. The diÆerent pulse heights indicate the diÆertri metode. made of foam and fiber materials is used, since this ent ionization energy loss of the two particles, while structure can also provide mechanical rigidity against the characteristic peak at larger drift times in case of the deformations caused by gas overpressure. electrons is due to absorbed TR. 10 0043 2 0 20 40 60 80 100 120 140 ∆E (keV) Fig. 29. Measurement and simulation of the transition radiation spectrum from 293 the ALICE TRD radiator sandwich. The top panel shows the 2 GeV/c electrons with energy distribution of TR photons, the bottom panel the response per incident electron [52]. amplification region ear Instruments and Methods in Physics Research A 766 (2014) 292–295 Fig. 28. Measurement of the specific energy deposit of 2 GeV/c pions (top) and electrons (bottom) in Xe,CO2 (85:15) along with simulations [60]. ‘‘d escape’’ denotes the realistic treatment of d-rays. electron each with six radiator–detector layers flushed with CO2 in between. As a consequence radiator, the pion 120 of a rather thick e dE/dx+TR rejection factor achieved with a truncated mean method was 130 e dE/dx for a momentum of 5 GeV/c and 150 averaged over all measured 100 π dE/dx momenta, for an electron efficiency of 90%. Using a likelihood method, the pion rejection factor averaged over all measured momenta was determines 80 to be 14607150, decreasing to 489 725 for an electron efficiency of 95%. 2 Average pulse height (mV) 1.8 Pion efficiency (%) 1.6 LQ LQX NN 1.4 1.2 3 5 104 collisions at pffiffiffi s ¼ 7 TeV signal of specific sus momentum in s can be seen, this ght nuclei. n method in use is hod on the total chamber (tracklet) single chamber for eV. Clean samples ng tracks originat, respectively, via h the Time Projecdetector (TOF) in mpurity of less than higher than that of TRD d E /d x + TR (arb. units) drift region 1 60 4.4.2. CBM 0.8 The TRD of the CBM (Compressed Baryonic Matter) experiment [36] at the planned40 FAIR [77] accelerator facility at GSI is 0.6 Drift aimed to provide electron identification and charged particle Chamber 0.4 tracking. The required pion suppression is a factor of about 100 20 and the position resolution has to be of the order of GeV/c 2002300 mm. p=2 0.2 In order to fulfill these tasks, in the context of the high rates and 6 layers, 90% e eff. high particle multiplicities 0in CBM, a careful optimization of the 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1 2 3 4 5 6 Radiator detector is required. Momentum (GeV/c) time (µs) Currently, the whole detector is envisagedDrift to be subdivided into three stations, positioned at distances of 4, 6 and 8 m from the target, Fig. 30. Pion rejection as a function of momentum for three methods: n (a) Because of the (b) each one of them composed of at least three layers. (i) likelihood on integral charge (LQ), (ii) bidimensional likelihood on integral ing radiator. (b) Average pulse height versus driftCBM time experiment for pions and electrons (with and without radiator). The high rate environment expected in the (interaction charge and largest cluster position (LQX), (iii) neural networks (NN). Figure taken rates of up to 10 MHz), fast (a) readout detectorodvisnost has to be used. To from [65]. Slikaa 7: Časovna napetostnega sunka za e− s prehodnim sevanjem in brez ter ensure the speed and also to minimize possible space charge effects pione pri 6gibalni količini 2 GeV/c. [13] (b) Učinkovitost identifikacije pionov v odvisnosti od expected at high rates, it is clear that the detector has to have 5-15]) gibalne pri exist različnih podatkov pri 6 plasteh detektorja. The main characteristics of the TRD are: (i) cell[2] sizes: 1–10 cm2 a thickness of less than 1 cm. količine Two solutions for suchmetodah a detector: analize 5 a multiwire proportional chamber (MWPC) with pad readout or (depending on the polar angle, tuned for the occupancy to remain straw tubes. While both had been investigated at the earlier stage of below 10%); (ii) material budget: X=X 0 C 15–20%; (iii) rates: up to d A novel the detector design, the MWPC 4solution is currently favored. 100 kHz/cm2; (iv) doses (charged particles): up to 16 krad/year, concept of a ‘‘double-sided’’ MWPC had been tested in prototypes corresponding to 26–40 mC/cm/year charge on the anode wires. For [78] and is a strong candidate for the inner part of the detector. This a classical MWPC-type TRD with the envisaged 9–12 layers, the total p Detektorji3 prehodnega sevanja so pomembni člen v celotni zgradbi detektorskega sistema na area of detectors is in the range 485–646 m2. The total number of xdetector (testbeam)design provides twice the thickness of the gas volume, while pospeševalnikih in drugih eksperimentih. Uporabljajo seispredvsem ločevanje med x+TR (testbeam) electronic channels projected to za between 562 and 749 elektroni thousand. keeping the charge collection time to that of a single MWPC. For the 2 p radiator s =7 TeV) both possibilities, in hadroni količinah nad GeV/c. regular pri and gibalnih irregular, are under consideraK cosmic rays) final choice of the radiator type for the CBM TRD will be tion. The 4.5. je TRDs for astro-particle physics Čeprav se uporabljajo že skoraj 50 let, področje še vedno v aktivnem razvoju, saj so TR (cosmic rays) 1 of prototypes tests. Measurements established after the completion zahteve po višjih težiščnih energijah povezane z izboljšavami detektorjev. Predlagajo se novi with prototypes, both in beam [79] and with X-ray sources [80] A recent review of TRDs for astro-particle instruments is given in tipi sevalcev ter novi načinirates. detekcije prehodnega sevanja silicijevimi s kristali. demonstrate that the detector can the design [81]. In general, both s balloon and spacedetektorji experimentsin lead to compact 0 handle Zaključek 0.4 0.5 0.6 1 2 3 4 5 Uspešno deluje detektor prehodnega sevanja tudi v sklopu eksperimenta ALICE, kjer pop (GeV/c) maga tudi pri sledenju delcev. Zaredi velikega števila produktov pri trkih ionov je pomembno Fig. 3. Truncated mean signals as a function of momentum for charged particles in pffiffiffi natančno in hitro odčitavanje minimum bias data from p-Pb collisions atsignalov, s ¼ 5:02 TeVda [7]. se lahko učinkovito ločuje med elektroni in pioni. V letu 2015, ko se bo Veliki hadronski trkalnik ponovno zagnal bo detektor pomembno pripomogel k novim fizikalnim meritvam in morebitnim odkritjem. pions, because of the larger specific energy loss and transition radiation. In testbeam measurements at CERN PS in 2004, charge deposit distributions were recorded for electrons and pions in the momentum range 1 to 10 GeV/c [4]. The respective charge deposit [1]distributions Konrad Kleinknecht. Detectors for particle radiation. Cambridge University Press, 1998. describe the results from collision data well (see Fig. 4), and can thus be used as references for particle identifica[2]tion. A Andronic and JP Wessels. Transition radiation detectors. Nuclear Instruments and MeThe respective reference distributions for muons, kaons and thodswere in Physics Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated protons obtainedResearch via parametrizations from GEANT3. For each particle passing the TRD, likelihood values for elecEquipment, 666:130–147, 2012. trons, pions, muons, kaons and protons are calculated for each using the reference distributions. Next the information of [3]chamber Michael L Cherry, Gernot Hartmann, Dietrich Müller, and Thomas A Prince. Transition at least four TRD layers is combined via the Bayesian formula, radiation from electrons in periodic radiators. Physical Review D, 10(11):3594, providing global trackrelativistic particle identification. In the analysis, pions, i.e. hadrons, are then rejected in the TRD 1974. by applying a momentum-dependent cut on the likelihood value electrons, providing a specified electron efficiency. The cut with was matter. Lecture, 2011. http://www. [4]forH.-C. Schultz-Coulon. Interactions of particles tuned and cross-checked by studying the clean reference sample kip.uni-heidelberg.de/~coulon/Lectures/Detectors/Free_PDFs/Lecture3.pdf [26. of electrons from photon conversions. Literatura 2. 2015]. 11 [5] Boris Dolgoshein. Transition radiation detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 326(3):434–469, 1993. [6] P Cortese et al. ALICE transition-radiation detector: Technical design report. CERN, Geneva, 2001. [7] Proportional counter. http://en.wikipedia.org/wiki/Proportional_counter [17. 2. 2015]. [8] The large hadron collider. http://home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider [18. 2. 2015]. [9] Kenneth Aamodt, A Abrahantes Quintana, R Achenbach, S Acounis, D Adamová, C Adler, M Aggarwal, F Agnese, G Aglieri Rinella, Z Ahammed, et al. The ALICE experiment at the CERN LHC. Journal of Instrumentation, 3(08):S08002, 2008. [10] Yvonne Pachmayer, ALICE Collaboration, et al. Physics with the ALICE transition radiation detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 706:6–11, 2013. [11] C Lippmann et al. The ALICE transition radiation detector. In Proc. of the SNIC Conference, SLAC, April 3-6, 2006. [12] K. A. Olive et al. Review of Particle Physics. Chin. Phys., C38:090001, 2014. [13] Yvonne Pachmayer, ALICE Collaboration, et al. Particle identification with the ALICE transition radiation detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 766:292–295, 2014. 12