Aujourd'hui Détecteurs de trace vus Détecteurs de neutres
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1Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Détecteurs de trace vus
Détecteurs de neutres
Concevoir un détecteur global
Aujourd'hui
Détecteurspartie II
2Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Calorimètres
voir http://llr.in2p3.fr/~videau/Ecole_de_Monschau
Voir les neutres:
3Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Les buts de la calorimètrie
Mesurer les neutres
électromagnétique : γ hadronique : neutrons, K0
l
Mesurer l'énergie des électrons
Identifier les leptons, électrons et muons, taus
Mesurer l'énergie des hadrons chargés
L'énergie d'un muon n'est connue que par le trajectomètreUA2 D0
Mesurer les jets "energy flow"Global method / analytic
4Détecteurs
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Le principe
γ : conversion en paire par interaction électromagnétique
Hadrons neutres : interaction forteNeutrinos : interaction faible (courant chargé)
On doit fournirmatière avec laquelle interagir (radiateur)un milieu sensible aux traces chargées (détecteur)
Radiateur et détecteur peuvent être le même milieu:
calorimètre homogèneRadiateur et détecteur peuvent être entrelacés,
calorimètre à échantillonage
Puis on mesure les traces chargées
Pour mesurer un neutre convertissons le en chargé
5Détecteurs
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Les neutres..
on les transforme en chargés
Conversiond'un photonsur le détecteurde vertex.ALEPH
Le cas le plus simple: une paroi suivie d'un détecteur de chargés dans un champ magnétique
6Détecteurs
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ALEPH
Ks0 K
L0
1 trace issue du point d'interaction1 vertex de désintégration K0
s
3 traces se propageant dans la TPCinteractions dans le calo elmgninteraction en arbre dans le HCAL K0
L
7Détecteurs
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ILC. Détecteur LDCe e− Z H
Z
Hbb
8Détecteurs
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Dépôt d'énergie par des photons
Section efficace des photons en fonctionde leur énergie
seuil de créationde paires: 2 x 511 keV
9Détecteurs
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Calorimètres
électromagnétiques
Principe
Principaux processus dans une gerbe électromagnétique
Bremsstrahlung Création de pairesMais aussi
A basse énergie (< 2 GeV )
Compton
Effet photoélectrique
A haute énergie au niveau de 10-4
Création de paires de muonsde paires de pions
10Détecteurs
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Notion de longueur de radiation, et de longueur d'interactionDans un domaine d'énergie, la probabilité d'interaction dans un intervalle dx donnéest essentiellement indépendante de l'énergie (loi exponentielle), on peut donc définir la longueur caractéristique d'interaction
Contribution to the cross section γ Carbon in barns/atom π+ p and π- p cross sections
11Détecteurs
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Extrait de Rossi
Electron showering on lead platesin a Wilson chamber (1949)
Calorimètres
Electron gerbant sur des plaquesde plomb dans une chambre deWilson (1949)
12Détecteurs
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ALEPH
Profil en profondeurde l'énergie déposée par un électron de 45 GeV.
Un électron de 45 GEV
Paramétrage:
ze− z
Energie déposéedans chacune des 45 couchesactives du calorimètreélectromagnétique.
Caractérisation longitudinale de la gerbelongueur de radiation
13Détecteurs
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Caractérisation transverse de la gerberayon de Molière
La structure transverse est indépendante de l'énergie
Rayon de Molière: rayon du cylindre contenant 90% de l'énergie.varie comme l'inverse de la densité
14Détecteurs
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Calorimètres
hadroniques
Processus beaucoup plus complexes
Source principale de fluctuation:réponse différente
aux particules électromagnétiques, γ, eet aux particules hadroniques, p, K, π
fraction de π0 (e/h)
15Détecteurs
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Comment on estime l'énergie:
en décomptant la longueur de trace chargée générée
EE =
E
Processus stochastique: N=N Termes:γ intercalibrationα stochastiqueβ bruit
estimée, échantillonée par le nombre de photons
ou d'électronsproduits
EE
= ⊕
E⊕
E
16Détecteurs
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Différents types de calorimètresHomogènes /hétérogènes ou "à échantillonage"
mesure par
ScintillationCerenkov
collection de lumière collection d'électrons (trous)Ionisation
création de paires e-h
Cristaux Na I, Cs I, BGO, PbWO4
Gaz nobles (liq)
Verre au plombEauAir
GazGaz nobles (liq)
Ge
Calorimètressuite
17Détecteurs
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Calorimètres à échantillonage(sampling)
Radiateurs pour l'électromagnétique (Z élevé):
Plomb Pb, Uranium U, Tungstène W
attention aux propriétés physiques mais aussi mécaniques !
Détecteurs similaires pour les deux: scintillateurs,
lumière Cerenkov (H1 lumi), chambres à ionisation, argon liquide, liquides chauds,
chambres à gaz en différents modes (prop, streamer, Geiger), détecteurs silicium.
pour l'hadronique (bon marché, bon mécaniquement)fer (retour de champ), inox (dans un champ), cuivre plomb, tungstène, uranium?
Calorimètressuite
h/e
l'énergie hadronique échappesous forme de fission de noyaux,neutrons de basse énergie
18Détecteurs
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Material Z λI
dE/dx density X0
cm MeV/cm g/cm3 cmIron Fe 26 16.8 11.4 7.87 1.76Tantalum Ta 73 11.9 16.7 0.41Tungsten W 74 9.6 22.1 19.3 0.35Lead Pb 82 17.1 12.7 11.35 0.56Uranium U 92 10.5 20.5 19. 0.32
Argon (liq) A 18 83.7 2.13 1.4 14.Air 74380 2.2 10-3 1.21 10-3 30300Silicium Si 14 45.5 3.87 2.33 9.36
Forte dépendance avec la densité
Propriétés physiques des radiateurs
19Détecteurs
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Propriétés physiques des radiateurs
Material Z λI /X
0dE/dx × X
0X
0
MeV cmIron Fe 26 9.5 20.1 1.76Tungsten W 74 27.4 7.7 0.35Lead Pb 82 30.5 7.1 0.56Uranium U 92 32.8 6.7 0.32
Argon (liq) A 18 6.0 29.8 14.Air 2.5 66.7 30300Silicium Si 14 4.86 36.2 9.36
Remarks:strong dependence on density (obvious)energy loss in one interaction length almost constantlarge variations of dE/dx in one radiation length large variations of λ
Ι / X
0 with Z
20Détecteurs
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Gas / scintillator as detecting medium10 GeV electrons electron hit cells positron hit cells
Geant4 simulation
Gas
Scintillator
21Détecteurs
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Performances
Résolution en énergie
Précision en position
Précision angulaire
Séparation entre gerbes
Electron/pion identification
Muon/pion identification
Dommages dus aux radiations
Et ce pour photons, hadrons, jetsisolés, en jets
LinéaritéOrigine des fluctuations
Calorimètressuite
22Détecteurs
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Luminomètre de H1
23Détecteurs
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Examples of large calorimeters
Low energy machines CLEO, BaBar crystal Cs I, ∼ no HCAL
Tevatron D0 U-liq. A CDF scintillator
CMS PbWO4, Fe-scintillatorLHCATLAS Pb-liq. A, Fe-scintillator
LEPOPAL lead glass, Fe-w.ch. L3 BGOALEPH, DELPHI Pb/Fe-wire chambers sandwich
SLC SLD Pb/Fe-liq.A
HERA H1 Pb/Fe-liq.A ZEUS U-scint.
Calorimètressuite
24Détecteurs
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Un calorimètre W-Si pour un collisioneur linéaire à électrons
De nombreux jets de particules serrées ⇒forte densité du calorimètre ⇒
radiateur dense W, détecteur compact Si
Motif
Détecteur silicium (semiconducteur)L'énergie déposée par la charge crée des pairesélectron-trou qui dérivent dans le champ électrique
he+
−
Principe
Le calorimètre est mince: 24X
0 pour ~20 cm en 40 couches
Les gerbes sont étroites RM ~ 1cm
On peut intégrer beaucoup de canaux de lecture, 32M
extrême granularité
Très bonne efficacité de reconstructiondes photons dans un environnement chargé
Les détecteurs au Si sont compacts:car ~ 100 paires par µ épaisseur ~ 500 µ 50000 paires
25Détecteurs
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Concevoir un détecteur
à une certaine physique
sur un certain accélérateur/collisionneure+e- , pp ?
Comme un tout adapté
Identifier les spécifications et contraintes provenant de
La physique,la technologie,
les ressources disponiblesla sociologie,
la politique.
26Détecteurs
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Cinématique des collisions
faisceaux de même nature (particules ou antiparticules)? pp ou ee versus ep
faisceaux de même énergie?collisions bille en tête ou à petit angle?
collisionneur circulaire ou linéaire?si collisions entre antiparticules
partons?
27Détecteurs
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Cinématique des collisions
BaBar, énergies des faisceauxdifférentes pour voir le vertex
des B.
dans le CM, LEPe e− f f
dd cos
∝ 1cos2
e e−bbcollisionneurs circulaires e+ e-
énergies de faisceaux égales
la longueur du vecteur est proportionnelle à la section efficace
détecteur « symétrique » en phi et en z
détecteur asymétrique en z
28Détecteurs
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Collisions p p
Les protons sont composites: quarks + gluons = partonsLe laboratoire n'est pas le CM de l'interaction
Les partons ont une certaine distribution en impulsion
Distribution de l'impulsion du CM
Pour le détecteur, la multiplicité de traces est largement plate en rapidité
29Détecteurs
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Significationmouvement de l'origine du système ' dans le laboratoire :
dans le système ' :
⇒ et par définition et
RapiditéConserver ⇒ =
η est la rapidité
Additivité des rapidités
=
z2 −t2 cosh −sinh −sinh cosh t '
z ' tz
cosh 1 −sinh 1−sinh 1 cosh 1 cosh 2 −sinh 2
−sinh 2 cosh 2 cosh 1 2 −sinh 1 2−sinh 1 2 cosh 1 2
z= tz '=0 =cosh z−sinh t
=th=ch = 1
1 − ² =sh =
1 − ²
30Détecteurs
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Passage dans le système où une particule de masse et vitesse est au repos
E , p
m ,
Son quadrivecteur énergie-impulsion est
avec p=m , E=m
On passe dans le système où elle est au repos par une transformation de Lorentz de paramètres
= pE , = E
m , = pm
31Détecteurs
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On considère souvent la transformation selon l'axe Ozqui fait passer dans le système où la projection de l'impulsionde la particule sur Oz s'annule
La rapidité de cette transformation couramment notée « y »est appelée rapidité de la particule: y=th−1 z
Dans un « boost » le long de Oz, la rapidité des particules est translatéepar la rapidité du boost (additivité des rapidités).La distribution en rapidité est donc invariante dans un boost.
Si la masse est négligeable
y=th−1 pz
p =th−1 cos=ln tg 2
dy= 1 sin
d
32Détecteurs
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En collisions ppdistribution plate avecla pseudo-rapidité
Cinématique des collisions
To match well the transverse sizeof the cells to the shower
In φ, take a constant dφ
In θ, take a constant ε
Recalling that the rapidity y is such that:
Constant rapidity intervals
Crystals Towers
= Rsin
d
cos=tanh y
=d y
zk=sinh k y0
Cells in the barrel for a projective geometry
33Détecteurs
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ALEPHun détecteurdu LEP
34Détecteurs
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Collisionse± p30 GeV / 800
Un détecteur asymétrique: H1
35Détecteurs
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Concevoir un détecteur
Schéma classique pour un collisionneur
Un oignon centré sur le point de collision
baigné dans un champ magnétique axial (solénoïde)
Détecteur de traces
Détecteur de vertex siliciumDétecteur central gaz silicium
Calorimètre
ElectromagnétiqueHadronique
Chambres à muons
Bobine, valeur du champ, 1-4Tforme, solénoïde?
longueur, rayon
36Détecteurs
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Une symétrie de révolution:un baril et deux bouchonsbrisée sur une symétried'ordre 6, 8 ou 12
TESLA Conceptual drawing
Yoke 4T Coil HCAL
ECAL TPC
Masks
IT
37Détecteurs
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ALEPHun détecteurdu LEP
38Détecteurs
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Au centre les détecteurs de traces chargées
Tube à vide: 1 à 2 cm de rayon (bdf)Détecteur de vertex au plus près
excellente résolution ~10µquelques couches de Si
Large détecteur de tracesmesure de l'impulsion, pattern
points nombreux / précis (100µ)Un intermédiaire possible
39Détecteurs
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40Détecteurs
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ALEPHdétecteur de vertexintermédiaireTPC
Remarque: K0s
41Détecteurs
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Autour du trajectomètrele calorimètre
Où placer la bobine?
Retour de champdétecteur à muons?
42Détecteurs
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ALEPHPion traversantle ECALpour interagirdans le HCAL
43Détecteurs
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e e− W W−
W− qq
W e
q jets
ALEPH
Jets
44Détecteurs
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Jets à l'ILC
Large Detector Concept
45Détecteurs
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Pour une présentation plus complète: http://polywww.in2p3.fr/~videau/Lineaire/event_gallery/
46Détecteurs
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47Détecteurs
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48Détecteurs
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Vue de CMS
49Détecteurs
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Un détecteur pour l'ILC
50Détecteurs
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Un détecteur pour l'ILC
ILC :InternationalLinear Collider
51Détecteurs
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Retour de champdétecteur de mus
Bobine 4TPôleBouchon HcalBaril HcalBouchon EcalBaril Ecal
Mise en place de la coquille calorimétrique
52Détecteurs
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Détecteurs de trace
Forward chambersTPCSITForward disksDétecteur de vertexTube à vide
53Détecteurs
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54Détecteurs
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55Détecteurs
Henri Videau hiver 2008
Fin des détecteurs
56Détecteurs
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Un beau plot d'événement d'ALEPH
57Détecteurs
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Collisionse± p30 GeV / 800
Un détecteur asymétrique: H1