Las Técnicas de Detección y los
Grandes Detectores
Hands on Particle Physics
Master Class, Marzo 2015
By Ricardo Graciani
• 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)
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
p Beam
p Beam
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•
•
•
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.
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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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