Aceleradores e Detectores
São Paulo Regional Analysis Center
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
Como explorar o mundo sub-atômico?
– 1910 Rutherford
α
– ...
– 1995 Tevatron, Fermilab
– 2008 LHC, CERN
– 2012 ILC, ?
– ...
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
2
Por que altas energias?
de Broglie:
1.2 fm
h
λ ւ=
=
pր
p [ GeV ]
Einstein:
E=
p2 c 2 +m2 c 4
E ր = m ր c2
– Aceleradores de partículas a altas energias
• Pequenas distâncias são exploradas
• Novas partículas são produzidas
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
3
Aceleradores
Uma corrida para as profundezas
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
Alvo Fixo X Colisor
Alvo Fixo
prótons
ET
1/ 2
2


=  2 m Alvo c EFeixe 
≅ 43 GeV


Alvo
Colisor
EFeixe = 1.000 GeV
prótons
prótons
ET = 2 EFeixe ≅ 2.000 GeV
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
5
Alvo Fixo X Colisor
– Energia Relativística (~ TeV)
2 1/2
2 4
2 4

E T =  m1 c +m2 c + 2 E1 E2 − p1 .p2 c 


(
)
(altas energias)
– Alvo Fixo
E1=EF ,
E2 =mA c2 ,
p2 =0
1/2
2


E T =  2 mA c EF 


– Colisor
E1 =EF ,
E2 =EF ,
p1 =-p2 ≅ EF /c
E T = 2 EF
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
6
Acelerador Linear
Partículas carregadas e estáveis são aceleradas
– Energia é limitada apenas pelo comprimento
– Alvo fixo: feixe se perde após a colisão
Fonte
Iônica
Envólucro de Cobre
Oscilador RF
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
7
Stanford Linear Collider (SLC), SLAC
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
8
Aceleradores Circulares
Magnetos de Dipolo
– Órbita Circular
Magnetos de Quadrupolo
S
N
– Focalização do feixe
⊗
S
N
Cavidade de RF
– Aceleração
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
9
Synchrotron Soleil
Quadrupolo
Dipolo
Cavidade RF
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
10
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
SPRACE
Tevatron, Fermilab
Chicago
↓
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Fundado em 1968
Primeiro feixe 1972 (200 e 400 GeV)
Upgrade 1983 (900 GeV)
Upgrade 2001 (980 GeV)
Síncrotron com R = 1 km
36 proton/antiproton / grupo
27 (7.5) X 1010 nucleons / grupo
396 (IIb: 132) ns entre colisões
Interação: CDF & DØ
Ecm = 1.96 TeV.
Introdução à Física de Altas Energias
p
DØ
Tevatron
p
CDF
Antiproton
SPRACE
Injetor
Recycler
12
Componentes do Tevatron
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
13
Círculo em azul:
LHC em
tamanho real
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
14
LHC, CERN
Compact Muon Solenoid
Estudo de Colisões Próton-Próton
CMS
LEP - LHC
Alice
A Large Ion Collider
Experiment
Estudo de Colisões de Íons Pesados
SPS
ATLAS
PS
A Toroidal LHC ApparatuS
Estudo da violação de CP no
decaimento de mésons B
Estudo de Colisões Próton-Próton
Introdução à Física de Altas Energias
LHCb
SPRACE
15
Colisões no LHC
4.245 km
7 TeV
1034 cm-2 s-1
2808
1011
Raio
Energia do Feixe
Luminosidade
Grupos / Feixe
Protons / Grupo
Proton
7.5 m (25 ns)
Cruzamento
dos Grupos
Proton
colliding beams
4.107 Hz
Colisão dos Prótons 109 Hz
e-
Colisão dos Pártons
q
µ+
χ1 -
µ
-
Produção de Novas Partículas 10-5 Hz
(Higgs, SUSY, ....)
p
Z
H
p
Z
µ+
µ
-
νe
~
q
~
g
p
~
q
q
~
χ2 0
q
p
µ+
µ−
χ~1
0
Seleção de 1 evento em 10 trilhões
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
16
Energia do LHC
O que significa 7 TeV?
–
–
–
1 eV ~ 1,6 X 10 -19C X 1V = 1,6 X 10
7 TeV = 1,1 x 10-6 J
Comparar com energias do dia a dia
-19
J
No entanto a energia do Feixe é:
– Efeixe = 2.808 x 1,1 x 1011 x 7 TeV = 3,4 x 108 J
– Comparar com energias do dia a dia
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
Detectores
Enxergando o que os olhos não vêem
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
Detectores: Objetivos
η= -log tan θ/2
x
φ
z
y
–
–
–
–
Identificar a partícula (Q, m).
Determinar a trajetória.
Medir a energia e momento
Processamento de dados
rápido e eficiente
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
η
φ
19
Detecção de Partículas
Detecção de partículas: interação das partículas com
objeto macroscópico.
– Interação eletromagnética
• Eventos envolvendo fótons, elétrons, outras partículas carregadas.
– Interação forte
• Eventos envolvendo hádrons.
Regimes de energia: diferentes processos.
–
–
–
–
–
–
Excitação e ionização
Bremsstrahlung
Efeito fotoelétrico
Espalhamento Thompson e Compton
Produção de pares
Processos nucleares
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
20
Interações de Partículas Carregadas
Ionização e Excitação
– Interação de partícula carregada com elétrons do meio
– Importante a baixas energias.
– Aproximação de Born para mproj >> malvo


 2me c 2 β 2γ 2Tmax 
δ
βγ
(
)
dE
2 Z 1 1
2



−
= Kz
−
β
−
ln

d ( ρ x)
A β 2  2 
I2
2 

4π N Aα 2
K=
≃ 0.31 mol-1 MeV cm 2
me
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
21
Para caso de elétrons: modificação na fórmula de
ionização (me):

γ m c 2 β γ −1 


dE
Z 1 



e


−
=K
ln
+
…


2  


d ( ρ x)
A β  
2
I




– Energia crítica Ec :
divisão entre regime de
ionização e regime de
radiação.
610
Ec =
MeV (sólidos)
Z + 1.24
Ec =
710
MeV (fluidos)
Z + 0.92
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
22
Interações de Elétrons
Bremsstrahlung
– Radiação devida ao espalhamento coulombiano.
– Espalhamento com e- ou núcleos do meio
– Aproximação de Weizsäcker-Williams: no referencial do
projétil, campo do alvo é uma fonte de fótons reais
dσ
A  4 4
dE
E
2

≃
≃
 − y + y  ⇒ −
dk
X 0 N Ak 3 3
d (ρ x) X 0
X0 =
Introdução à Física de Altas Energias
716.4 A
(
Z ( Z + 1) ln 287 / Z
SPRACE
)
g/cm 2
23
Interações de Fótons
Efeito Fotoelétrico
– Átomo + γ → íon + e– Dominante a baixas energias.
– Teoria de perturbação não-relativística.
1/ 2
6 5
K
photo
7
2
e
σ
8π  32 
~
 
3 ε 
α Z
m
, com ε =
Eγ
me
Efeito Compton
– e- + γ → e- + γ
–
–
–
Importante a energias intermediárias (cerca de 1 MeV).
Eletrodinâmica Quântica.
Soma incoerente sobre elétrons do átomo.
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
24
Produção de pares
– Dominante a altas energias.
ε-7/2
ln ε / ε
– Relacionado com
bremsstrahlung (crossing).

dσ
A  4
=
1− x (1− x )

dx
X0NA  3
cte
x = E / k,
onde k é a energia do fóton incidente e
E a energia transferida para o par
7  A 

σ pares = 

9  X 0 N A 
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
25
Interações Nucleares
Essencialmente processos
inelásticos
– Ordem de grandeza:
σ nuc ∼ π aN2 ∼ 30 mb,
aN ∼ 1 fm
Raio do núcleo
– Estimado a partir da física
nuclear:
R ≃ r0 A1/ 3 , r0 ≃ 1.16 fm
Seção de choque ~ R2
– Dependência com A2/3
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
26
Tipos de Detectores
Interação diferente para cada tipo de partícula.
Medidas destrutivas e não-destrutivas.
– Momento p:
• Raio de curvatura em campo B
– Energia E:
• Interações sucessivas → depósito completo da energia no meio
– Carga q
• Sentido da curvatura em campo B
– Massa m (E2 = p2 + m2)
– Energia faltante E
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
27
Medidas não-Destrutivas
Medida de momento
– Campo magnético uniforme B = B0 z .
– E = 0 → conservação de energia.
– Módulo da velocidade é constante:
B
q
r
=
p
dp
dv
F = qv × B =
=γm ,
dt
dt
v2
lembrando que aceleração centrípeta é
e considerando v ⊥ B
r
2
v
qvB = γ m ⇒
r
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
28
Detectores de Trajetória
Conceito: detector de
elementos discretos,
sensíveis à posição da
partícula.
Cintiladores plásticos (~ cm)
Câmera de Fios (~ mm)
Faixas de Silício (~ µm)
– Cálculo da trajetória e de at
– Semicondutores → par
elétron lacuna → medida de
corrente.
Pulsos elétricos → enviados para a
eletrônica e digitalizados.
– Câmaras de fios (MWPC,
drift chamber, TPC).
Raio de curvatura
no campo magnético
é proporcional ao
momento
das partículas
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
– Eletrônica – formação e
tratamento de sinal.
– Computação – ajuste de
trajetória.
29
Medidas Destrutivas
Medida da energia total de
uma partícula.
– Altas energias → diferentes
regimes até absorção total.
• Fótons: Produção de pares →
Compton → Efeito Fotoelétrico.
• Elétron: Bremsstrahlung →
Ionização / Excitação.
• Hádrons: hádron + núcleo →
hádron + núcleo + píon.
– Produção de cascatas
(eletromagnética e hadrônica).
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
30
Cascatas Calorimétricas
Metal pesado
Modelo para cascatas
eletromagnéticas:
Cintilador plástico
– Elétrons
• 1 bremsstrahlung / X0
– Fótons
• 1 par e+ e- / X0
– Dobro de partículas a cada X0
– Quantidade de fótons é
proporcional ao número de
partículas que radiam
– Número de partículas é
Foto
proporcional à energia da
multiplicador
partícula que entrou no
calorímetro.
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
31
Calorímetros
Detector hermético.
– Dimensão D >> X0 →
perda total da energia.
– Absorvedor (perda de
energia) + cintilador
(amostragem).
– Fibras óticas →
fotodetectores → sinal
elétrico.
– Eletrônica e software.
– e-, γ e hádrons.
– Et ≠ 0 → partícula
invisível.
– Granularidade →
redundância
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
32
Magnetos
Solenóide
Toróide
– Delphi, CDF, CMS
– Atlas
• Campo intenso e
homogêneo
• Campo de retorno fraco
Introdução à Física de Altas Energias
• Campo intenso mas não
homogêneo
• Sempre perpendicular ao
momento
SPRACE
33
Detectores: Projeto
Como fazer um detector de propósito geral?
– Capaz de detectar “todos” os tipos de partículas.
– Medidas redundantes.
– Medidas destrutivas após as não-destrutivas.
Possível projeto:
– Jato de hádrons – detector de trajetória, calorímetro
hadrônico.
– Elétrons – detector de trajetória, calorímetro EM.
– Fótons – calorímetro EM.
– Partículas de vida curta – detector de trajetória*.
– Partículas carregadas massivas “estáveis” – detector de
trajetória após calorímetro.
– Et faltante – calorímetros herméticos.
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
34
Detectores: Componentes
Trajetória
Calorímetro
Eletromagnético
Calorímetro
Hadrônico
Sistema de
Muons
Fótons
Elétrons
Hadrons
Muons
Neutrinos
Introdução à Física de Altas Energias
Ei ≠ Ef
SPRACE
35
Partículas e Componentes do Detector
Partícula
Tracker
ECAL
HCAL
Muon
―
Absorvido
―
―
W
Desintegra
―
―
―
Z
Desintegra
―
―
―
Elétron
Trajetória
Absorvido
―
―
Múon
Trajetória
―
―
Trajetória
Desintegra*
―
―
―
―
―
―
―
Trajetória
―
Absorvido
―
―
―
Absorvido
―
Trajetória
―
Absorvido
―
―
―
Absorvido
―
Charm-type
Desintegra*
―
―
―
Bottom-type
Desintegra*
―
―
―
Fóton
Tau
Neutrino
Píon (+/-)
Píon (neutro)
Próton
Nêutron
*Deixa traço no detector de pixel.
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
36
Detector DØ
5 andares de altura
20 metros de
comprimento
7
5.500 toneladas
800.000 canais de
eletrônica
1.500 km de fios
Software:
-7
– 622 Pacotes
– 5,3 GB executável
– 1,8 GB de bibliotecas
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
37
Detector DØ e Collision Hall
Fevereiro 2001
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
38
DØ Roll in
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
39
Detector CMS
Sistema de Trajetória
Peso:
12.500 ton
Diâmetro:
15,0 m
Comprimento:
21,5 m
Campo Magnético: 4 T
Calorímetro
Eletromagnético
Calorímetro Hadrônico
Câmaras de Múons
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
40
CMS
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
41
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
42
Calorímetro
Eletromagnético
ECAL
Calorímetro
Hadrônico
HCAL
Magneto
Tracker
Câmaras de
Múons
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
43
Partículas no Detector CMS
Versão animada em http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/DetectorDrawings/Slice/CMS_Slice.swf
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
44
Conclusão
Aceleradores de partículas são responsáveis por uma
grande parte do nosso entendimento sobre a
estrutura da matéria
Aceleradores existentes hoje (SLAC, HERA, Tevatron)
→ Física na escala de GeV. LHC → TeV.
Detectores de partículas de propósito geral permitem
uma exploração extensiva.
Entendimento dos detectores → entendimento das
interações das partículas com os detectores.
Medidas redundantes aumentam a qualidade dos
dados.
Experimentos como DØ, CMS cumprem todos esses
requisitos.
Introdução à Física de Altas Energias
SPRACE
45