Detectores de Partículas:
Uma Introdução ao CMS
Tiago dos Anjos
Sumário
• Aceleradores Circulares
• LHC
• O Detector CMS
- Sistema de Trajetórias
- Detector de múons
- Calorímetro Eletromagnético
- Calorímetro Hadrônico
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Detectores de Partículas: Uma
introdução ao CMS
2
Sistema de Trajetórias
Objetivos:
•
•
Registrar os caminhos tomados por partículas carregadas, encontrando as
suas posições em uma série de pontos- chave.
caminhos registrados + eletrônica = cálculo do momento da partícula e suas
projeções.
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Variáveis cinemáticas
Plano X-Y
Plano Y-Z
py
pt
py
px
y
2
x
Momento Transversal:
pT =
Massa Transversal:
mT = m02 + pT2
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p +p
2
y
pz
y=
1 E + pz
ln(
)
2 E − pz
Pseudo-Rapidez: η =
1
p + pz
ln(
)
2
p − pz
Rapidez:
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4
Partes do Tracker de Pixel
•
Pixel -barril: 3 camadas, 2 meio-cilindros/camada, (meias-) escadas formam
camadas, 8 módulos por camada.
•
Pixel -forward: 2 discos em cada lado, 24 lâminas por discos, 7 módulos de
tamanhos diferentes em cada lâmina.
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Detector Interno de Pixel
•
•
•
•
•
Tamanho de uma caixa de sapatos, 66 milhões pixels de 100 x 150 µm2 cada,
(seção reta de um cabelo humano) e 75 milhões de canais de leitura eletrônica.
Mais próximo do feixe : recebe o maior volume de partículas.
Varre uma região angular tal que -2.5 < η < 2.5.
Reconstrução tridimensional dos vértices, tanto o primário como secundários,
decaimentos de partículas contendo o quark b bem como do lépton τ.
Altas luminosidades, boa resolução espacial : separa vértices primários.
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Semicondutores
Isolante
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Condutor
Semicondutor
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Semicondutores
É preciso “dopar” o semicondutor para que ele se torne um condutor. Para isso,
substitui-se átomos de silício por outros átomos que sejam “doadores” (Fósforo,
arsênico) ou “aceitadores” (boro) de elétrons.
Doador
tipo-N
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Receptor
tipo-P
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Junção n-p
A dopagem por doadores é chamada tipo n (carga negativa livre), enquanto a
dopagem por aceitadores é de tipo p (carga positiva livre). Ao juntarmos dois
cristais com dopagens distintas temos uma junção n-p, que rega uma diferença
de potencial capaz de atrair elétrons gerados no espaço entre a junção.
Tipo-P
Tipo-N
+- +
+ -- + -+
+
+
+- +
+
+ +- ++
+
Região Depletada
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Física do Pixel
Amplificação
do Sinal
Pixel interage com a partícula ou radiação a ser medida.
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Física do Pixel
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ee-
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Física do Pixel
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e+
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ee+
e+
e+
e+
e+
e-
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Física do Pixel
e+
e+
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e+
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e-
ee+
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e-
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e-
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Física do Pixel
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e+
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e+
e+
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e+
e+
e-
ee-
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ee+
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eee-
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eeee-
ee+
e-
ee-
e-
eee-
ADC
O sinal analógico é coletado pela eletrônica de
“frente”, amplificado (pré-amplificação), formatado
(shapping), digitalizado (ADC).
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Módulo do detector de micro
fitas
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Detector de micro fitas
•
•
•
•
•
•
Tracker -barril interno (TIB): 4 camadas, cada uma dividida em 4 cascas (z >
(<)0 e partes superior e inferior). Cascas divididas em cordas, 3 módulos por
corda.
Tracker -disco interno (TID): 6 estruturas de disco idênticos, módulos
arranjados em 3 anéis.
Tracker -barril externo (TOB): 6 camadas, cada camada constituída de bastões
com 6 módulos por bastão.
Tracker EndCap (TEC): 9 discos, cada um constituído por 8 pétalas.Em cada
pétala os módulos são agrupados em anéis.
Contribui para um aumento da resolução espacial e melhora a medida de
momento.
9,6 milhões de tiras de silício com dimensões de 10 cm x 80 µm, localizadas
na região entre 20 e 50 cm do ponto de interação.
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Diferentes módulos
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TEC
TEC
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TIB
TIB
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TOB
TOB
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TOBcom
comTIB
TIBdentro
dentro
TOB
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Sistema de Múons
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Localização no CMS
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Sistema de múons
Câmaras de Tubos de Arrasto (Drift Tubes )– DT
Câmara de Fitas Catódicas (Cathode Strip Chamber )–CSC
Câmara de Planos Resistivos Paralelos (Resistive Paralel plane Chamber) -RPC
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O Múon
• Fermion (spin ½ ), Lepton, carga = -e,
• Meia Vida 2,2 µs.
• Massa 105,7 MeV = 207 me
• Descoberto: 1936, Carl. D. Anderson
Raios Cósmicos :
•Decaimento
π ± → µ ± +ν µ
µ − → e− +ν e + ν µ ,
µ + → e+ +ν e + ν µ
• Decaimento no CMS :
H → Z Z → 4( µ ou e- )
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Partículas no detector
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Detecção do Múon no CMS
Por que CMS ?
•
•
O detector foi construído de forma a otimizar medidas precisas de múons:
Identificação rápida e eficiente de múons no Sist. De Múons.
Medidas de múons em três partes do detector : Tracker, Sistema de Múons
(saída do solenóide) e no fluxo de retorno (?).
Por que os múons ?
•
•
•
•
Partícula relativamente estável;
Léptons: atravessam ambos calorímetros (determinação mais simples do
momento)
Assinatura clara de eventos de física importante.
Medidas de Múons pode ser usado para trigger.
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Partes do Sistema de Muons
Drift Tubes - DT:
• 250 câmaras no região do barril (MB1, 2, 3 e 4) (-1,2 >η >1.2),
cobertas de ferro (externo ao solenóide).
• Um fio central age como anodo; passagem do múon libera elétrons que
são atraídos para o fio central.
• Resolução da ordem de 200 µm, com uma precisão em φ melhor que
100 µm em posição e 1mrad em ângulo.
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Drft Tubes - DT
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Cathode Strip Chamber- CSC
Cathode Strip Chamber
CSC:
•
•
•
•
468 CSC’s nas tampas,
6 sub-camadas (ME 1,2,3,4,5 e 6) com
gás,
Múon ioniza o gás em cada plano,
produzindo cargas nos fios de anodos
Resolução espacial de 200 µm e angular
de 10mrad.
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Funcionamento e Posicionamento
do CSC
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Resistive Paralel Plane Chamber
- RPC
Resistive Paralel
plane Chamber -RPC:
• Complementa as câmaras DT
e CSC’s até -1,6 >η >1,6.
• Plástico de alta resistividade
elétrica (baquelite).
• Resposta mais rápida que as
demais câmaras.
• Usado apenas para trigger.
• Um múon pode cruzar as
RPC’s e as DT, produzindo 44
pontos no sistema de múons.
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Como Reconstruir o evento
Reconstruir a trajetória das partículas carregadas.
η = − ln [tan (θ 2 )]
para p >> m temos que
1
E + pz
y = ln(
)=
E − pz
2
Pseudo-Rapidez:
p + pz
1
η = ln(
)
p − pz
2
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Com campo magnético
v2
F = qv ⋅ B = m
r
r=m
B
v
p
=
qB qB
Combinando a informação do momento transversal com o momento total,
é possível obter o momento longitudinal e a rapidez da partícula.
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Vértice Primário
B
Quanto melhor for a resolução em posição dos pontos medidos, ou menor
a distância de projeção, melhor será a precisão com que poderá se
determinar a posição do vértice primário.
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Ajuste
•
•
•
•
•
Reconstrução dos pontos medidos.
Agrupamento dos pontos
Ajuste da trajetória
Verificação do Ajuste
Cálculo do momento e projeção.
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B
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Referências
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pereira A.V, dissertação de mestrado, Estudo de produção difrativa de top-anti-top no CMS/LHC,
UERJ.
Amaral S.M.S, dissertação de mestrado,Dupla Difração no LHC/CMS,UERJ
SPRACE, slides de curso de inverno, Aceleradores e Detectores.
Tomei. T, slides. O Experimento do CMS
Alessia Tricomi, University and INFN Catania, Performance of ATLAS & CMS Silicon Tracker
Lutz Feld, Physicalisches Instituit, RWTH Aachen, The CMS Silicon Tracker
Paollo Azzurri, Scuola Normale Superiore Italy, The CMS Silicon strip Tracker , Journal of Physics:
Coference Series 41(2006) 127-134.
The CMS Tracker Technical Design Report, CERN/LHCC 98-6 CMS TDR 5
Addendum to the CMS Tracker TDR, CERN/LHCC 2000-016
Jun Takahashi, slides da VI Escola do CBPF, Instrumentação para a Física de Partículas e Altas
Energias , IFGW-UNICAMP.
Larano. A, Slides, U. Of Wisconsin & INFN LNF, Gaseous detectors in CMS Readiness for
operatons at LHC.
Lutz Feld, Physicalisches Instituit, RWTH Aachen, The CMS Silicon Tracker
Gracía. M. F, IF de Cantabria, Spain,, CMS Muons System Status, Journal of Physics: Coference
Series 110(2008) 1-3.
The CMS Collaboration, The muon system, CERN/LHCC 2008.
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Figuras Extras (tracker)
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Figuras Extras (instalação das
tiras)
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Figuras Extras (relação entre os
tamanhos das tiras do tracker)
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Barril Sist. Múons (Extra)
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DT (Extra)
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CSC (Extra)
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RPC (Extra)
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