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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 Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 2 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 Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 3 Detector Geiger • Usados desde ~1910 para medir radiación cargada: – electrones, – protones, – Iones • Producen una señal eléctrica Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 4 Cámara de Trazas Drift Chamber Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 5 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) Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 6 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. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 7 El Pion (1947) Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 8 El Kaon (1949-51) • Usando emulsiones fotográficas y observando rayos cósmicos. K0+K++ Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 9 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. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 10 Centelleadores (II) Centelleador + Guía de luz + Fotomultiplicador Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 11 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. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 12 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. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 13 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,.. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 14 Calorímetros (II) Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 15 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. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 16 LHCb p Beam p Beam • • • • • • 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. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 17 Grandes Detectores (II) Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 18 ¿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. Marzo 2015 Mater Class, Detección y Detectores 19