Detectores do LHCb - 2009
Daniel Corrêa de Guamá
Vinícius Franco Lima
Introdução
Múons estão presentes em muitos dos estágios finais dos decaimentos do
méson B, e assim a detecção é vitalmente importante para o experimento LHCb.
Localizado no final do detector, o sistema de múons compreende cinco
estações retangulares, gradualmente ampliadas em tamanho e cobrindo uma área
combinada de 435m² (~ o tamanho de uma quadra de basquete).
Cada estação contém câmaras preenchidas com uma combinação de três
gases: CO2, Ar e CF4. Os múons que passam reagem com esta mistura, e os fios
de eletrodos detectam os resultados.
No total, o sistema de múons contém cerca de 1400 câmaras e 2.5 milhões de
fios (o suficiente para ligar Genebra à Madri).
Detectores de Ionização
Foram os primeiros dispositivos elétricos desenvolvidos para detectar
radiação. São baseados na coleção direta de elétrons e íons de ionização
produzidos num gás pela passagem da radiação.
Devido a maior mobilidade de elétrons e íons, um gás é o melhor meio
para a coleção de ionização.
Consiste e um container com
paredes condutoras uma janela fina
ao fim. É preenchido com um gás
apropriado, usualmente um gás
nobre. Ao longo do seu eixo é
suspenso um fio condutor no qual
uma voltagem positiva (Vo) relativa
às paredes é aplicada.
Fig: Configuração básica de um detector à gás.
Detectores de Ionização
Se radiação penetra o container, um
certo número de pares elétron-íon serão
criados.
O número médio de pares criados é
proporcional à energia depositada no
contador. Sob a ação do campo elétrico, os
elétrons serão acelerados para o anodo e
os íons para o catodo onde serão
coletados.
O sinal observado, entretanto,
dependerá da intensidade do campo.
Fig: Número de íons coletados pela voltagem
aplicada em uma única câmara.
Ionização e Fenômenos
de Transporte
• excitação
Interação da radiação com a matéria
• ionização
• não depende do tipo da partícula e sim
Número médio de pares criados
do tipo do gás
• para gases: ~ 1 par a cada 30eV de energia
perdida
• recombinação (devido à interação Coulombiana,
Fenômenos interferentes
emitindo um fóton)
• anexação eletrônica (captura de e- livres por átomos
eletronegativos)
Transporte de e- e íons
em Gases
Movimento dos e- é descrito pela teoria cinética dos gases.
Fenômenos de transporte
• difusão (sem campo elétrico)
• arrasto (com campo elétrico)
Difusão: e- liberados pela passagem da radiação se difundem uniformemente
para fora do ponto de interação. Ele sofre múltiplas colisões com moléculas do
gás e perde energia até entrar em equilíbrio térmico com o mesmo e recombinar.
A velocidade média das cargas, dada pela distribuição de Maxwell fica: v 
Obviamente, a velocidade média dos e- é maior que a dos íons.
8kT
m
Transporte de e- e íons
em Gases
Da teoria cinética, a distribuição linear das cargas depois de se difundir em
um tempo t pode ser dada por:
dN

dx
 x2 
N0

exp  
4
Dt
4Dt


O erro da propagação em x fica:
 ( x)  2Dt
O coeficiente de difusão é um parâmetro que pode ser calculado da teoria
cinética e pode-se mostrar ser:
1
D  v
3
1 kT
2
1
Para um gás clássico ideal  
, então teremos: D 
2 0 p
3  p 0
kT 3
m
Transporte de e- e íons
em Gases
Arrasto e mobilidade: e- e íons libertados pela radiação são acelerados ao
longo das linhas de campo. A aceleração é interrompida pelas colisões com
moléculas do gás. A velocidade
média alcançada é conhecida
como velocidade de arrasto.
Da teoria cinética, definimos a
mobilidade de uma carga
como:   u
E
Para um gás ideal teremos:
D
kT


e
Fig: velocidades de arrasto de e- em várias misturas de
gases como função do campo elétrico.
Multiplicação
Avalanche
A multiplicação ocorre quando elétrons da ionização primária ganham do
campo elétrico energia suficiente para também ionizar moléculas do gás.
A repetição sucessiva do processo ocasiona uma avalanche.
Se  é o caminho livre médio, então   1 /  é a
probabilidade de ionização por unidade de comprimento.
Se há n e- numa distância dx criar-se-ão dn novos e-:
dn  ndx  n  n0 expx 
O fator de multiplicação então será: M 
Fig: Formação da gota devido à maior
mobilidade dos elétrons no gás.
n
 expx 
n0
r2

Se    (x) : M  exp   ( x)dx
 r1

A Câmara Proporcional
Multifilar
• A câmara proporcional
multifilar foi desenvolvida por
Charpak em 1968, no CERN.
• Charpak mostrou que uma
série de fios dentro de uma
mesma câmara
comportavam-se como uma
série de câmaras monofilares
proporcionais.
Tomada de dados com
as MWPC
Sobreposição de planos de anodos nas direções x /y.
Razão entre os sinais medidos.
Método do centro de gravidade : Uso
de sinais em vários anodos.
O Sistema de Múons
As câmaras de múons do LHCb foram
projetadas com objetivo de trabalhar na
reconstrução de eventos importantes
que tem como estado final múons.
Também é função dos sistema de múons
fornecer dados para o trigger L0.
Desafios do sistema de múons :
•Fornecer dados sobre múons de alto momento
transverso para o trigger.
•Identificar claramente a passagem de bunches
pelo detector.
•Permitir que, na reconstrução offline, os múons
sejam reconstruídos com uma eficiência superior
à 90% com momentos a partir de 3GeV/c.
O Sistema de Múons
Organização do sistema de múons :
• Estações.
• Regiões.
• Câmaras.
• Pads Lógicos.
Tipos de detectores
MWPCs em todas as estações.
Detectores do tipo GEM na estação M1 Região R1.
O Sistema de Múons
Regiões :
São divisões entre as câmaras de uma mesma estação,
visando ajustar a granularidade do detector à ocupância
da região.R1 é a região mais próxima ao tubo do feixe e
a que possui maior granularidade.
O Sistema de Múons
Câmaras Multifilares Proporcionais :
As MWPCs do sistema de múons do LHCb variam em
tamanho, forma e obtenção de sinais. As câmaras da M1
possuem dois intervalos, para minimizar a quantidade de
material antes dos calorímetros enquanto todas as
outras possuem 4.
Informações sobre as MWPCs :
• 1368 câmaras no total.
• Espaçamento entre os fios de 2mm. (aprox. 3 milhões de fios)
• Proporção da mistura de gás : Ar(40%),CO2(50%), CH4(10%).
• Tensão de funcionamento : 2,7kV.
• Ganho do gás : 105
O Sistema de Múons
Pads Lógicos :
Os Pads Lógicos representam a definição do detector
naquela área. Cada Pad é ligado a um canal eletrônico
independente, contudo o Pad pode considerar o sinal de
uma área do catodo, do anodo ou de ambos,
dependendo da região e da estação.
Sinal do anodo → Região 4 de todas as estações.
Sinal combinado →Regiões 1 e 2 das estações M1 e M2.
Sinal do catodo → Todas as outras Regiões.
O Sistema de Múons
GEM (Gas Electron Multiplier) :
Os detectores utilizados na
região R1 da estação M1
possuem uma tecnologia
diferente da aplicada com as
MWPCs. Embora os detectores
ainda se baseiem no processo
de ionização, os GEM usam
uma série de buracos da ordem
de micrômetros para gerar as
avalanches.
Referências Bibliográficas
Leo, W.R. – Techiniques for Nuclear and Particle Physics Experiments –
1993.
The LHCb Collaboration – Muon System Technical Design Report - 2001.
Polycarpo, E – Estudo da Sensibilidade do Experimento LHCb ao
Decaimento Raro Bs->mu+um- e Contribuição ao Desenvolvimento do
Sistema de Múons.- 2002.
Blum, W.,Rolandi,L. –Particle Detection with Drift Chambers – 1993.