Particle Detectors :
an introduction
Erik Adli, University of Oslo, August 2015, [email protected] , v2.10
Experimental High-Energy Particle Physics
Event rate in ATLAS :
N = L x  (pp)  109 interactions/s
Mostly soft ( low pT ) events
Interesting hard (high-pT ) events are rare
2
Z0 production at the UA1
experiment at the CERN SppS
collider (1983)
3
Higgs production at the ATLAS
experiment at the CERN LHC
collider (2012)
LHC-eksperimentene
5
LHC og dens detektorer
LHC detectors
6
Hva skjer i kollisjonen?
• Jamfør kvantefeltteori (basis for standardmodellen) kan nye
partikler bli skapt i kollisjonspunktet
•
•
Annihilasjon av to elementærpartikler (f.eks. en kvark og en antikvark)
Nye partikler genereres
Z0
q,g
q, g
Higgs
q, g
q, g
q,g
q
Z0
q, g
q
•
Utfordringer:
– De fleste partikler er ustabile, noen lever kun 10-20 sekunder. Disse partiklene
vil derfor nesten umiddelbart henfalle til andre partikkeltyper
– Det er en prosentvis svært liten sjanse for at de mest sjeldne partikkeltypene
blir dannet i en kollisjon. Derfor trenger vi mange kollisjoner for å observere
dem.
7
Detektortverrsnitt
8
What is measured?
• Vi ønsker å observere partikler samt identifisere partikkeltypen (e-, e+
p, n, m, p etc.)
• Detektorprinsipp :
– Ladde partikler vekselvirker med (ioniserer) atomiske elektroner i
detektormaterialet
– Derav kan vi spore partikkelens bane gjennom detektormaterialet
– Tre hovedtyper :
Gasdetectors
Semiconductors
Scintillators
9
Energy loss: heavy charged particles
Heavy charged particles transfer energy mostly to the atomic electrons, ionising them. We will
later come back to not so heavy particles, in particular electrons/positrons.
Usually the Bethe Bloch formally is used to describe this - and most of features of the Bethe
Bloch formula can be understood from a very simple model :
1) Let us look at energy transfer to a single electron from heavy charged particle passing at a
distance b
2) Let us multiply with the number of electrons passed
3) Let us integrate over all reasonable distances b
electron,me
b
ze,v
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
10
Heavy charges particles – Bethe-Bloch
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
11
Electrons and Positrons
Electrons/positrons; modify Bethe Bloch to take
into account that incoming particle has same
mass as the atomic electrons
Bremsstrahlung in the electrical field of a charge Z
comes in addition :  goes as 1/m2
e
e

The critical energy is defined as the point where the
ionisation loss is equal the bremsstrahlung loss.
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
12
Magnetfelt: bevegelsesmengde
og ladning
Ved å sette opp et (kjent) magnetfelt, B, inne i detektoren vil partikkelen
gå i en krum bane. Gir utfyllende egenskaper, om partikkelens ladning og
bevegelsesmengde.
• Retningen på krumningen vil avhenge av partikkelens ladning (+/-1)
• Krumningen vil avhenge av partikkelens bevegelsesmengde:
2
2
v
eBL
FB  m  p  qBr 
r
8s
s: sagitta
13
Kalorimetre: energimåling
• Et tykt lag materiale som partikkelen
vekselvirker med, kan bremse partikkelen
helt opp  den vil legge igjen hele sin
energi i dette materialet. Denne energien
kan avleses elektronisk.
Electromagnetic calorimeter (CMS lead crystal)
15
Electromagnetic calorimeters
The total track length :
T  N tracks  0 
Intrinsic resolution :
 (E)
E

 (T )
T
E0
0
EC

1
1

T
E
Text from C.Joram
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
16
Vertexing and secondary vertices
This is obviously a subject for a talk on its own so let me summarize in 5 lines :
Several important measurements depend on the ability to tag and reconstruct particles coming from
secondary vertices hundreds of microns from the primary (giving track impact parameters in the tens of
micron range), to identify systems containing b,c,’s; i.e generally systems with these types of decay
lengths.
This is naturally done with precise vertex detectors where three features are important :
• Robust tracking close to vertex area
• The innermost layer as close as possible
• Minimum material before first measurement in particular to minimise the multiple scattering
(beam pipe most critical).
The vertex resolution of is therefore usually parametrised with a constant term (geometrical) and a
term depending on 1/p (multiple scattering) and also  (the angle to the beam-axis).
Secondary
Primary
FYS4550, 2005
x
x
Steinar Stapnes
17
Arrangement of detectors
We see that various
detectors and
combination of
information can provide
particle identification;
for example p versus
EM energy for
electrons; EM/HAD
provide additional
information, so does
muon detectors, EM
response without
tracks indicate a
photon; secondary
vertices identify b,c,
’s; isolation cuts help
to identify leptons
From C.Joram
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
18
Detector systems
From C.Joram
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
19
ATLAS-detektoren
ATLAS sammenlignet med den
5 etasjes bygning 40
Diameter
25 m
Lengde toroidemagnet
26 m
Ende-til-ende lengde
46 m
Vekt
7000 tonn
20
ATLAS: Indre detekor
ATLAS halvlederdetektor for sporfølging
21
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
22
ATLAS: kalorimetre
Venstre: elektromagnetisk
kalorimeter som stopper e- og 
(elektromagnetisk skurutvikling:
pardanning + bremsestråling).
Høyre: hadronisk kalorimeter.
Kompakt materie (stål, jern)
stopper p og n (partikler
sammensatt av kvarker –
hadroner).
23
Calorimeter system
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
24
ATLAS: myonkamre
Myoner (tunge elektroner) er
de eneste partiklene som går
igjennom kalorimetrene
(punktlike, lite bremsestråling)
Myonkamre er derfor plassert i
ytre lag av detektoren. Slik vet
man at partikkelspor her kommer
fra myoner.
25
ATLAS: magnetsystem
ATLAS:
Separate magnetsystem
1) Indre detektor)
(Solenoidemagnet)
1) Myonspektrometer
(Toroidemagneter)
26
FYS4550, 2005
Steinar Stapnes
27
Installasjon av en toroidemagnet i ATLAS-hulen
28
ATLAS toroidemagneter
29
Å finne en partikkel...
p, p, K,…
p, p, K,…

Higgs
p, p, K,…
p, p, K,…
Omtrent 109 p-p koll/sek !
H produksjon i denne kanalen: 100/år 30
SAMMENDRAG
Event rate in ATLAS :
N = L x  (pp)  109 interactions/s
Mostly soft ( low pT ) events
Interesting hard (high-pT ) events are rare
> 100 Million Electronics Channels, 40 MHz ---> TRIGGER
31