Técnicas experimentales de
detección de partículas
Física Experimental de Partículas y Cosmología
Master en Física Teórica – UCM (2013-14)
Dra. Mary-Cruz Fouz
CIEMAT
Dpt Investigación Básica
2
Índice



Introducción
Procesos de interacción de las partículas con la materia
Detectores de Ionización






Detectores gaseosos
Detectores de estado sólido
Detectores de centelleo
Detectores de fotones
Calorimetría
PID – Identificación de partículas




TOF
dE/dX
Detectores Cherenkov
TRD
2013/14
Técnicas experimentales
Detectores de Fotones
4
Detectores de Fotones
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
-
Foto detectores de vacío
- PMT – Photo Multiplier Tube
- MCP – Microchannel Plates
-
Detectores de estado sólido (ya discutidos) como p.ej.
- APD
- SiPM
-
Detectores híbridos
- HPD
2013/14
Técnicas Experimentales
5
PMT – Photo Multiplier Tube
1934 Harly Iams & Bernand Salzberg (RCA)
Componentes principales:
Fotocátodo
Dinodos
Ánodo
2013/14
Técnicas Experimentales
6
PMT – Photo Multiplier Tube
El primer paso es convertir el fotón incidente en un electrón.
Esto se hace usando un fotocátodo donde el fotón producirá un
electrón por efecto fotoeléctrico.
 =  − 
El fotón incidente tiene que tener suficiente energía para emitir el
electrón del átomo y para arrancarlo de la superficie (función de
trabajo) del material
Los fotocátodos tienen que ser delgados para que el electrón pueda
llegar hasta la superficie
QE (Quantum Efficiency)
 − ⅇ ⅆ
 =

QE depende de la longitud de onda del fotón
2013/14
Técnicas Experimentales
7
PMT – Photo Multiplier Tube
1934 Harly Iams & Bernand Salzberg (RCA)
Una vez que el electrón entra en el tubo de
vacío se acelerará por el campo eléctrico y
se dirigirá al electrodo (dinodo) donde puede
producir electrones secundarios. Estos
electrones a su vez se dirigen al siguiente
dinodo pudiendo ionizar de nuevo.
 Proceso de avalancha
En los dinodos convencionales la ganancia ~5
La ganancia total dependerá del número de dinodos usados pudiéndose alcanzar G~106-108
El último electrodo es un ánodo donde se recogen los electrones y se produce la señal.
La respuesta de un PMT es muy rápida <ns
Los PMT se ven afectados por el campo magnético, incluso a veces el terrestre (pueden
requerir apantallamiento, mu-metal), por lo que no pueden trabajar dentro de un imán.
2013/14
Técnicas Experimentales
8
MCP - Micro Channel Plate
Single Channel
En lugar de dinodos discretos toda la parte
interna del tubo es un dinodo continuo
Debido a las grandes fluctuaciones en la
ganancia se opera en modo saturado
 Respuesta binaria independiente del
numero de fotones incidentes
Pueden combinarse en planos
Channel
Son muy rápidos, resolución ~20ps
Buena resolución espacial
Pueden operar con campos de 0.1T en
cualquier dirección y hasta 1T en la
dirección axial
Tiempo de vida limitado (0.5 C/cm2) no
suelen usarse en experimentos de HEP
2013/14
Técnicas Experimentales
9
HPD – Hybrid Photon Detectors
Permiten aprovechar la excelente resolución
espacial y energética de los detectores de silicio.
Los fotones producen electrones en el fotocátodo.
Los electrones al entrar en el tubo de vacío son
acelerados (DV ~20-20kV) y focalizados hacia al
detector
La ganancia se produce en un solo paso en el
detector de silicio (menores fluctuaciones en la
ganancia que en PMT)
10-inch prototype HPD (CERN)
for Air Shower Telescope CLUE.
Pixel-HPD anode
8192 pixels of 50 × 400 mm.
2013/14
50mm
Técnicas Experimentales
Calorimetría
11
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
2013/14
Técnicas experimentales
12
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
como descritos en clases anteriores
2013/14
Técnicas experimentales
13
Cascada Electromagnética – Procesos implicados
En la interacción con la materia los principales procesos por los que pierden energía
Electrones/positrones
Ionización/excitación
Bremsstrahlung
Fotones
Efecto fotoeléctrico
Efecto Compton
Producción de pares
2013/14
Técnicas experimentales
14
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+
e+
ee-
e-

e+

e+
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 <   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.
2013/14
Técnicas experimentales
15
Desarrollo cascada EM- Un modelo intuitivo simplista
Recordemos que, para el bremsstrahlung
ⅆ

=
ⅆ 0
X0 = Longitud de radiación
En una longitud X0 el electrón habrá perdido 2/3 de su energía por bremsstrahlung
Y la sección eficaz de producción de pares
En una longitud X0 un fotón tiene una
probabilidad de 7/9 de producir un par e+e-
De forma simplista, y asumiendo que son los únicos procesos, podemos considerar que
un e- al atravesar un espesor X0 habrá dado lugar a un par electrón positrón.
Tras haber atravesado un espesor n=tX0:
  = 2
0
  = 
2
Número partículas
Energía por partícula
La cascada empieza a decrecer cuando   = Energía crítica (c )
 max =
2013/14
0

max = 1.44 ln
0

Técnicas experimentales
16
Cascada electromagnética - Perfil longitudinal
Parametrización del perfil
longitudinal
ⅆ
+
= 
 −
ⅆ
 +
t = espesor absorbente en
unidades de X0 (t=x/X0)
a y b dependen de la
energía incidente
El máximo de la cascada:
max
0
= ln
+ 

ⅈ = ⅇ, 
La profundidad media de la cascada = profundidad a
la que una partícula deposita la mitad de su energía
 = −0.5
 = +0.5
 ≈  − 1.5
El 95% de la cascada estará contenida en una longitud ≈ 3
Esto nos permite calcular el tamaño del calorímetro: un e- del 10 GeV necesita ~25X0
2013/14
Técnicas experimentales
17
Cascada electromagnética – Perfil transversal
Las partículas producidas en la cascada se producen con un ángulo respecto a la
dirección incidente.
- Producción de pares
- Bremsstrahlung
Además
1.- Los electrones experimentan dispersión
múltiple
 Domina en las primeras fases de la cascada
2.- Los fotones de baja energía pueden viajar
bastante lejos del eje de la cascada (especialmente
si vienen de electrones que ya se encontraban
bastante alejados)
 Forma un halo de menor energía, domina
tras haberse alcanzado el máximo
Central
Core
Halo
El perfil transversal puede describirse por una suma de dos gausianas
2013/14
Técnicas experimentales
18
Cascada electromagnética – Perfil transversal
El ensanchamiento promedio de un haz de electrones de Ec después de
atravesar un espesor X0 define el radio de Molière 
 =
 ≈
21.2ⅇ
⋅ 0

550

0 ≈ 180
 ∝


Cuanto más denso sea el material
más estrecha será la cascada

−2
2

90% de la energía de la
cascada está dentro de 1
95% en 2
99% en 3.5 
2013/14
Técnicas experimentales
19
Cascadas EM. Propiedades de algunos materiales
Valores de X0, Ec y  para distintos materiales usados en calorimetría
2013/14
Técnicas experimentales
20
Cascadas Eletromagnéticas – Resolución en energía
Dependiendo del material del calorímetro se producirán señales a partir de ionización,
luz de centelleo, luz Cherenkov…
La medida de la energía está influenciada por las fluctuaciones en los distintos
procesos de la cascada y formación de señal.
Es un proceso estadístico y el ancho de la distribución sería:
 
1
=


Como  ∝ 0
 
ⅈ
=


ⅈ = resolución intrínseca es una constante de cada calorímetro particular.
Límite inferior en la resolución.
En un calorímetro real hay más contribuciones a la resolución.
En general podemos escribir la resolución como:
 


=
⊕⊕



a = término estocástico
b = término independiente
c = término de ruido
2013/14
Técnicas experimentales
21
Cascadas Eletromagnéticas – Resolución en energía
 


=
⊕⊕



a = término estocástico
Fluctuaciones intrínsecas de la cascada y el proceso que produce la señal
Fluctuaciones de muestreo
b = término independiente
Pérdida de parte de la cascada por no estar totalmente contenida dentro del calorímetro
Espacios muertos en el detector
Falta de uniformidad
Errores de intercalibración de los canales
Falta de linealidad en la respuesta de la electrónica
c = término de ruido
Ruido electrónico
2013/14
Técnicas experimentales
22
Cascadas e.m. – Resolución energía calorímetros de muestreo
En el caso de calorímetros de muestreo sólo las partículas que cruzan el medio se detectan
Se denomina fracción de muestreo (“sampling fraction”) a:
Energía depositada material activo
Energía depositada material pasivo
La distribución espacial de la cascada cambia de suceso a suceso pero los planos de
lectura están fijos  Fluctuaciones extra en el número de partículas que se detectan
Habría que añadir otra componente al término estocástico
 

=



 

=

 

⊕

 

=

2 + 2

=


Efectos que contribuyen a las fluctuaciones de muestreo:
Fluctuaciones de muestreo intrínseca
Variación número partículas cruzando el medio activo
Fluctuaciones de Landau
Diferencias en la energía depositada por partículas iguales
Fluctuaciones de longitud de traza
Partículas con ángulos distintos no recorren la misma distancia en el medio activo
2013/14
Técnicas experimentales
23
Resolución para diversos calorímetros electromagnéticos
2013/14
Técnicas experimentales
24
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,
2013/14
Técnicas experimentales
25
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
0
 = 2
  3
1
4
 y 0 = 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)
2013/14
Técnicas experimentales
26
Cascada hadrónica. Perfil longitudinal
Longitud de interacción, 

 =
 
Recorrido libre medio de una partícula antes de que
experimente una reacción nuclear inelástica
 = peso atómico
 = Número de Avogadro
 = Densidad del material
 = Sección eficaz inelástica
Equivalente al X0 en las e.m
El perfil longitudinal puede parametrizarse con
una función fenomenológica
ⅆ =  − ⅇ +  −  − ⅇ− ⅆ ⅆ
 = Factor de normalización
 y  −  = Pesos relativos de ambas curvas
 = Profundidad desde el origen de la cascada en unidades de X0
 = Profundidad desde el origen de la cascada en unidades de 
 ,  , , ⅆ = Parámetros de ajusto a los datos
El primer término describe la energía e.m depositada cerca del vértice de la cascada
El segundo describe la dependencia exponencial a largas distancias de la parte hadrónica
 ≈ 0.2 ln   + 0.7
 95% = max + 2.5
6 para hadron 5 GeV, >9 para 210 GeV
2013/14
Técnicas experimentales
27
Cascada hadrónica: Perfil transversal
Es mayor que en una e.m
Tiene dos componentes:
 Una parte central altamente energética con la
componente e.m
 Una parte periférica sobre todo con n de baja E
R % ~
2013/14
Técnicas experimentales
28
Cascadas hadrónicas: Compensación
Cada tipo de partícula contribuye a la señal de forma diferente.
Podríamos escribir
 =  + ℎ = ⅇ  +  
 y  = Fracciones de la energía total depositada a través de las
componentes e.m. y hadrónica
e y h = Ctes de calibración para cada parte
Si e/h = 1  Calorímetro compensante
300 GeV
Las fluctuaciones son distintas en  y p
2013/14
Técnicas experimentales
en Cu
29
Cascadas hadrónicas: Compensación
Se puede intentar igualar las componentes e.m y hadrónica y obtener
compensación por medio de:
Técnicas software
L3
Segmentar el calorímetro en celdas/planos
y dar menor peso cuanto mayor sea la
densidad de energía
Hardware
- Aumentar la respuesta hadrónica via fisión
(238U como absorbente - n de E<1GeV
producen fisión y dan lugar a más n)
- Aumentar la detección de los n (usando H2)
- Usar material de alto Z que reduzca la señal
e.m y optimizar la relación entre espesor
absorbente y medio activo
2013/14
Técnicas experimentales
30
Cascadas hadrónicas– Resolución en energía


Al igual que para calorímetros electromagnéticos  
=
⊕

⊕
En general podemos escribir la resolución como: 


a = término estocástico
b = término independiente
c = término de ruido
Fluctuaciones intrínsecas, fluctuación de la componente e.m.
Dominadas por la primera interacción elástica en donde se pueden producir 0
Pocas partículas implicadas  Fluctuación grande
 Producen un término independiente
Dos casos extremos
1.- Toda la componente se deposita a través de la componente e.m
2.- No hay producción de piones neutros, solo componente hadrónica
2013/14
Componente electromagnética
Componente
puramente
hadrónica
Señal/GeV (Unidades arbitrarias)
Técnicas experimentales
Calorímetro compensante
N sucesos (Unidades arbitrarias)
Los calorímetros
no compensantes
 Peor resolución
Calorímetro NO compensante
N sucesos (Unidades arbitrarias)
La resolución será combinación
de todos los posibles casos
intermedios.
Componente electromagnética
Componente
puramente
hadrónica
Señal/GeV (Unidades arbitrarias)
31
Cascadas hadrónicas– Resolución en energía
Fluctuaciones en la energía no detectable (“invisible”) en los procesos nucleares.
(liberar nucleones y energía retroceso núcleos)
Pueden ser ~30-35% para hadrón 1 GeV
 Peor resolución que los calorímetros electromagnéticos
Si se consigue detectar neutrones de forma eficiente puede hacerse “visible” parte de
esa energía
Al igual que los calorímetros electromagnéticos presentan también
 Fluctuaciones de muestreo
 Fluctuaciones debido a
 Ruido
 Falta de uniformidad
 Errores de intercalibración
 Pérdida de parte de la cascada por no estar contenida dentro del calorímetro
Algunas partículas producirán la cascada al principio del calorímetro otras al final
dando lugar a importantes diferencias si algunas cascadas no están contenidas en él
 ….
2013/14
Técnicas experimentales
32
Cascadas electromagnéticas y hadrónicas
2013/14
Técnicas experimentales
33
Medida de la posición
En un experimento no sólo necesitamos la energía de las partículas sino su
posición
Esto es posible segmentando el calorímetro transversal y longitudinalmente y
calculando la posición de la partícula por medio del centro de gravedad de la
cascada.
Para calorímetros e.m tamaño de la celda < 1rM
Resoluciones típicas
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2013/14
=
9
=1  
9
=1 
Cascada e.m
Técnicas experimentales
34
Calibración
Una buena calibración del calorímetro es esencial para poder obtener medidas
de precisión. La calibración da la correspondencia entre la señal del detector
y la energía de la partícula.
Cada sección del calorímetro debe de ser calibrada (tanto el detector como la
electrónica pueden no ser perfectamente homogéneos)
Para esta calibración podemos hacer uso de:
 Pruebas con haces de partículas de tipo y energía conocidos a priori permiten
conocer la relación entre la señal y la energía.
 Fuentes radiactivas, rayos cósmicos, pulsos de luz
 En un experimento en colisionadores se usa la información de otros
subdetectores como señal de referencia así como la medida de canales ya
conocidos para calibrar o comprobar la calibración
h->  
35
Ejemplos de calorímetros
ECAL
Calorímetro homogéneo
Cristales : PbWO4
LHCB
2013/14
Técnicas experimentales
36
Ejemplos de calorímetros
Absorbente: Pb inmerso en Ar líquido
ECAL
The ALICE Zero Degree Calorimeters (ZDC)
Fibras cuarzo  Luz cherenkov
 
10%
=
⊕ 0.7


Steel+scintillator
Luz transmission by wavelength
shifter fibers ATLAS TileCal
(hadronic)
 
50%
=
⊕ 3%


2013/14
Técnicas experimentales
37
Detección y medida en experimentos de física de partículas
Un experimento de física de
partículas hace uso de distintos
detectores para medir las distintas
partículas.
En estos experimentos se producen
partículas individuales y jets
(chorros de partículas producidas en el
proceso de hadronización a partir de
los quarks y gluones)
El modo tradicional de medir la
energía de los jets es medir la
energía total depositada el los
calorímetros electromagnético y
hadrónico.
2013/14
Técnicas experimentales
38
Medida de la energía de un jet & Particle Flow Calorimetry
En promedio la composición del jet
es aproximadamente:
 60-70% partículas cargadas
(, K principalmente)
 20-30% fotones
 10% partículas neutras
En la medida tradicional, la resolución de la medida
está dominada por la resolución del calorímetro
hadrónico
~ %

Podríamos mejorar la precisión de la medida si fuésemos
capaces de distinguir cada partícula individual del jet y medir
cada una con el detector que proporcione la mejor resolución
Particle flow Calorimetry
Partículas cargadas en el tracker  Casi perfecta
Fotones en el calorímetro e.m  <  % 
Hadrones neutros en el calorímetro hadrónico
Solo los hadrones neutros (~10% de las partículas) se miden
con la mala precisión del calorímetro hadrónico
2013/14
Técnicas experimentales
39
Calorímetros para Particle Flow
Objetivo:
La mejor resolución energética posible (como en cualquier otro calorímetro)
Reconstruir cada partícula individual en el jet y asociarla con su traza
correspondiente en el detector de trazas
Necesitamos una muy buena resolución en posición
Muy alta segmentación longitudinal y transversalmente
Decenas de millones de canales en un experimento frente a
decenas de miles en el caso de la calorimetría convencional
Gran reto tecnológico
En fase de I+D en la colaboración internacional CALICE
 CAlorimeter for LInear Collider Experiment
2013/14
Técnicas experimentales
40
CALICE SDHCAL. Un ejemplo de alta segmentación
SDHCAL: SemiDigital Hadronic Calorimeter
Bélgica, Francia, España (CIEMAT)
Calorímetro de muestreo:
Absorbente: Planos de acero inoxidable
(2cm entre planos consecutivos)
Detector:
GRPC (Glass Ressitive Plate Chambers)
Lectura pads: 1x1cm2
Visualización de la señal de las cascadas de
varias partículas incidentes simultáneamente
Prototipo 1m3: 50 planos GRPC
~ medio millón de canales
1 pad= 1cm2 ,
interpad 0.5 mm
Electronic plane 1m2
Top view
Bottom view
Readout
Chip
~ medio millón de canales de lectura
en sólo 1m3
Técnicas experimentales
144 ASICs= 9216 channels/1m2
2013/14
@ CERN
Test beam
Identificación de Partículas
PID
42
Identificación de partículas
La identificación de partículas es un aspecto crucial en los experimentos de física de partículas
Las partículas pueden ser identificadas por su masa y por el modo en que interactúan
con el medio.
Electrones y hadrones producen
cascadas diferentes en los calorímetros.
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)
Las medida de la masa puede obtenerse a partir de la relación entre el momento y la
velocidad.
 = 
Necesitamos medir el momento y la velocidad
2013/14
Técnicas experimentales
43
Identificación en calorímetros
Podemos utilizar las diferencias entre cascadas hadrónicas y e.m para
distinguir partículas. Podemos desarrollar algoritmos haciendo uso de
características como:
Dimensiones transversas (e más estrechas, rm vs lI)
Punto de comienzo de la cascada (e antes, X0 vs lI )
 0 ∝ ~ 4 3
Longitud de la cascada ( e más cortas, ~20 X0 >7 )
Muones muy penetrantes pero poca deposición energía y estrecha
2013/14
Técnicas experimentales
44
B
Medida del momento
Una partícula cargada moviéndose en un campo
magnético experimenta la fuerza de Lorentz que
modifica su dirección haciéndole seguir una
trayectoria helicoidal
p=qBr
sin q = l/r = q l B /p
dp
dt

q
c
vB
sin q = l/r
La curvatura depende del momento.

A mayor momento menor curvatura
(Si conocemos la carga podemos
medir el momento)
La dirección en la que se curva nos
indica el signo de la carga de la partícula
La dispersión múltiple deteriora la medida del momento
Al igual que un prisma descompone los diferentes colores de
la luz
Los imanes nos permiten determinar el momento de la
partícula midiendo cómo se curva debido al campo
magnético
2013/14
Técnicas experimentales
45
Medida de la velocidad
Podemos medir la velocidad de una partícula a través de:
Medida del tiempo de vuelo entre dos detectores
Pérdidas por ionización dE/dx
Ángulo de los fotones Cherenkov
Radiación de Transición
2013/14
Técnicas experimentales
46
Tiempo de vuelo – TOF (Time Of Fly)
Detector1
Detector2
partícula

Midiendo la diferencia de tiempo ente 2 detectores que
tengan buena resolución temporal, p. ej.
Plástico centelleador + PMT
RPC
 = 
 2 2
=
−1

2
ALICE TOF: Mide el tiempo de vuelo respecto al tiempo de la colisión
157248 readout chanels
MRPC: RPC MultiGap
2013/14
Técnicas experimentales
dE/dx
Fórmula de
Bethe-Bloch
dE
dx

2
2 2
- 4  N A re m e c z
2 2
1   2m ec  
 ln 
A  2  
I
Z
2

 - 


2
-


2 
dE/dx es una función de la velocidad 
Para partículas de masa diferente, dE/dx vs p  Curvas desplazadas
Probabilidad
47
El mayor problema son las
fluctuaciones de Landau
Se necesita hacer muchas medidas y eliminar los valores
con una gran pérdida de energía  Valor medio truncado
dE/dx
Un detector adecuado para ello TPC
TPC
TPC
ITS
Ne/CO2 (90/10)
570132 readout channels
159 ionization samples/particle
2013/14
Online event
ITS=Inner Tracking System
Técnicas experimentales
ⅆ 
ⅆ
≈ %
48
RICH (Ring Imaging Cherenckov) detector (I)
Recordemos que, si una partícula viaja en medio a una velocidad superior a la luz en ese
medio, se emite luz Cherenkov.
1
cos

=
El ángulo de apertura depende de la velocidad

Midiendo el ángulo de esa luz respecto a la trayectoria de la partícula podemos medir
su velocidad
La luz emitida en un instante t formará un cono. En un plano perpendicular a la
dirección de la partícula la luz forma una circunferencia, un anillo.
La luz emitida en el instante t+d dará lugar, en ese mismo plano, a otro anillo de menor radio.
t
radiador
t
t+
Si la luz se produce en un medio (radiador) muy delgado, dará lugar a un
anillo con un grosor que viene determinado por el espesor del medio
Proximity focusing RICH
Si usamos un radiador con el mismo espesor pero
hecho de varios índices de refracción.
Podemos aumentar el espesor del radiador  + fotones
sin degradar la resolución del detector
El aerogel (SixOy) permite regular n entre 1.01 y 1.13
2013/14
Técnicas experimentales
49
RICH (Ring Imaging Cherenckov) detector (II)
Podemos hacer uso de un espejo para focalizar la luz
Focusing RICH
En cualquiera de los diseños necesitamos un detector de fotones que nos permita una
medida de la posición para reconstruir los anillos y calcular la velocidad de la partícula.
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Técnicas experimentales
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Detectores RICH de AMS & LHCb
Alpha magnetic spectrometer
Focusing RICH
Radiador dual:
Aerogel(n=1.050)
NaF (n= 1.334)
PMTs acoplados
a guías de luz
(pixel 8.5mm)
Proximity focusing RICH
RICH assembly @ CIEMAT
Fotodetector:HPD
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TRD – Transition Radiation Detector
Cuando una partícula atraviesa la frontera entre dos materiales con distinta constante
dieléctrica se produce radiación de transición.
La energía de los fotones emitidos ∝ 
 Permite identificar partículas, en general sólo e+,e- altamente energéticos
emitirán con intensidad detectable
El número de fotones
ℎ
2
∝
137
Necesitamos un radiador con muchos planos para producir suficientes fotones.
También serviría un material poroso
El material tiene que tener baja absorción de rayos-X
Polymethacrylimide foam (Rohace HF71)
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Polypropylene fiber radiator (d ≈ 25 mm)
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Ejemplos detectores de radiación de transición
Transition Radiation Tracker
Detecta Trazas & TR
Radiador:
propileno (fibras-barril, espuma-endcap)
Tubos deriva Gas: Xe(70%) CO2(27%) O2(3%)
Xe(85%) CO2(15%)
Fibras propileno
Señal TR
Señal dE/dx
Xe:Buena absorción rayos-X
CO2&O2: Aumenta Vd y quenchers de fotones
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Técnicas experimentales de detección de partículas