Identification de particules Jeudi 10 Décembre

Introduction Après la mesure de l’énergie et de l’impulsion l’identification des particules nature et charge, constitue un enjeu fondamental pour la physique des particules expérimentale Violation de CP seulement accessible si l’on identifie la saveur des B Désintégrations rares Élimination du bruit de fond Ex : Séparation entre p/K K/p e/p g/p0 ...... La méthode utilisée dépendra de l’énergie de la particule Efficacité de tagging : probabilité que p est identifiée comme p Contamination : probabilité que q est identifiée comme p Séparation: nb de s qui séparent les distributions de p et q

Introduction En fonction de la physique étudiée, on optimisera le rapport efficacité / contamination

Identification par dE/dx On mesure l’ionisation le long de la trace ainsi que l’impulsion La mesure simultanée de l’ionisation I et p donne un point dans le diagramme I/Imin versus l’impulsion Ex: Supposons une résolution de 5% (12%FWHM) et une séparation de 2s pour identifier une particule. Pas de séparation K/p à haute énergie ! Facile d’identifier des quarks ! ( I ~ q2 )

dE/dx On utilise la valeur normalisée au minimum d’ionisation. R = Hauteur du plateau au dessus du minimum. Quantité de remontée relativiste g* quand on arrive sur le plateau Les effets de densité dans la formule de Bethe Bloch, limitent R. R est meilleur à basse pression et Z grand Paramétrisation empirique : avec pi 5 paramètres à fiter. Estimateur : La valeur moyenne tronquée. Choisir les m plus petits signaux entre n mesures. Pour 35% < m < 80% distribution gaussiènne

Résolution pour dE/dx Variation de la résolution s en fonction de: L = Longueur de la trace n = nb d’échantillons x = L / n taille de l’échantillon Pour x constant, on augmente n et L s ~1 / n0.45 et non 0.5 Si L = nx est constant et n augmente en diminuant x s ~ n-0.14 . Le gain par n et compensé par la perte due à la diminution de x L, et x varient avec n fixe. Il suffit d’augmenter la pression. On doit gagner en résolution dans le rapport ( p1x1 / p2x2 ) k k = - 0.32 Il n’y a pas un consensus général sur le plus petit x ou le plus grand n pour L fixe Variation de la résolution s en fonction du gaz: Pour de l’Argon s = 0.96 n-0.46 (px)-0.32. Pour 1m et 100 points on obtient s = 0.115. Pour un autre gaz de nombre atomique Z et potentiel d’ionisation I, et n points :

La mesure de dE / dx est généralement ‘difficile’ Résolution pour dE/dx Plusieurs corrections à prendre en compte Variation du gain en fonction de la composition et densité du gaz, attachement des électrons par O2, dérive des piédestaux .... Equalisation des réponses de tous les fils Orientation de la trace Effets de saturation Longueur effective Cross talk La mesure de dE / dx est généralement ‘difficile’

Temps de vol (TOF) p, K, p Mesure du temps entre deux points, deux compteurs, distants de L. Résolution dominée par : Temps de passage des photoélectrons entre la cathode et la 1ère dynode. Des vitesses différentes et des chemins différents Temps de transit dans le système de collection de la lumière Électronique Résolution ~ (L / Ne) ½ Choisir un scintillateur rapide ex NE-111, et un PMT avec le plus petit djiter ~ 200 à 300 ps TOF est utilisable jusqu’à p=2GeV/c

Identification de muons Utilisation de chambres à muons après un stopper de hadrons, électrons et photons. Masse de ferraille ( W, Fe) Calorimètres électromagnétique et hadronique Punch through Hadrons qui échappent du calorimètre hadronique ( 3% de prob pour 50GeV de pions à travers de 2m de Fe) Désintégrations de pions et kaons en m Sail through Hadrons qui n’interagissent pas exp(-x/la) A très haute énergie ( > 500 GeV) muon Bremsstrahlung domine ! Perte d’énergie proportionnelle à l’énergie du muon. Calorimètre à muons

Identification de neutrons On doit produire des particules chargées qui elles sont détectées par ionisation, scintillation etc.... La méthode utilisée dépend de l’énergie du neutron Pour des faibles énergies < 20 MeV n + 6Li ® a + 3H Scintillateurs LiI(Eu) a et tritons scintillent n + 10B ® a + 7Li n + 3He ® p + 3H MWPC remplit de 3He et Kr @ haute pression La section efficace dépend fortement de l’énergie du neutron Pour 20 MeV < E < 1 GeV Détection du proton de recul de la collision élastique n + p ® n + p . MWPC avec un gaz riche en Hydrogène, ou scintillateurs organiques

Identification des électrons Construction d’ un estimateur avec l’ information de plusieurs détecteurs. E / p : Rapport énergie impulsion Distribution longitudinale et , forme latérale dans le calorimètre électromagnétique Les électrons déposent leur énergie au début et les gerbes sont étroites Rejection de l’ ordre de 100

Effet Cherenkov Quand une particule traverse un milieu d’indice n, avec une vitesse V > c / n, elle émet des photons à un angle caractéristique qc , tout au long de sa trajectoire. Au passage de la particule les atomes sont polarisés, formant des dipôles électriques. Si V < c/n moment dipolaire totale nulle, si V >c/n moment dipolaire varie en fonction du t émission du rayonnement électromagnétique. Onde acoustique d’un avion supersonique Observé et décrit par Cherenkov en 1930 Pendant un temps t les photons parcourent tc/n et la particule t c cosq = tc/n / tb c Angle entre la particule et les photons émis cosqc= 1 / ( n b ) et seuil en b > 1/n L’indice de réfraction est fonction de la longueur d’onde l et de la température. dn / dl dispersion dn / dT est petit A la vitesse de seuil correspond une énergie de seuil Pour une énergie donnée le seuil dépend de la masse La perte d’énergie par radiation est petite, 1% de l’ionisation Le nombre de photons émis pour une épaisseur x est : Le spectre de photons est en 1/l 2 , piqué vers l’UV

Effet Cherenkov Le nombre de photons détectés est fonction de la sensibilité de la photocathode, de l’absorption des fenêtres, des indices des guides, etc.... Si l’on néglige la dispersion Pour l 1= 350 et l 2=500 nm on trouve Ng = 390 sin2q pour 1 cm ou Ng = 490 sin2q Pour l 1=400 et l 2=700 nm Pour une particule de b =1 qui traverse de l’eau l’angle Cherenkov est 41.2 °, la perte d’énergie est de 513eV/cm ( 2MeV/cm ionisation), et 170 photons / cm

Radiateurs Cherenkov Quelle épaisseur de radiateur pour séparer deux particules de m1 < m2 ??? La particule 1 donne de la lumière alors que la 2 est juste au seuil soit b2 = 1/n La 1 donne 490 sin2q photoélectrons dans le visible La longueur du détecteur augmente avec p2. Si q=25% et N0=10 L=12.8cm. Si on doit séparer des p/K à 10 GeV n=1.0012

Radiateurs Cherenkov Radiateurs gazeux Cherenkov à seuil En principe tout matériau transparent Radiateurs solides, liquides ou gazeux n liquides > 1.33 (Eau) n gaz (N) < 1.002 (pentane) { si P ­ n ­ } Aerogels m(SiO2)+2m(H2O) n=1.007 et 1.07 Freon(s) 1.23 1.28 Radiateurs gazeux Très utiles pour les particules de haute énergie b > 0.99 Indice de réfraction varie avec la pression Ajustement du seuil en variant la pression Cherenkov à seuil Juxtaposition de plusieurs détecteurs pour couvrir tout le spectre des impulsions. Efficacité de détection dépend du nb de photo-e La production de rayons d affecte l’efficacité du système. Collection de lumière par des miroirs et PM’s

Exemple Identification p / K de 0.5 à 4 GeV Pb : Identifier p et K de tagging et de l’état propre CP. Utilisation des aérogels de Silice. Matériau à l’aspect fantomatique ! Constitué de sphères de silice de 2-5nm en structures de 20 à 500nm. Densité entre 0.03 et 0.35 gr/cm3. Et indice n n=1+0.21 r ( g/cm3) Il est transparent, diffuseur, loi de Rayleigh = longueur de diffusion ~ l 4. Trajet de la lumière augmente atténuation.

Les compteurs différentiels Sélectionne les particules de vitesse dans l’intervalle b ± Db. Lumière Cherenkov focalisée pour former dans le plan focal d’un miroir sphérique un anneau de rayon r=f tgq. Un diaphragme de rayon r et d’ouverture dr définit l’acceptance. Avec des radiateurs gazeux Db / b < 10-5. Angle Cherenkov q , augmente avec b . Si q = angle critique qt sinqt = 1/n réflexion totale! Pour un radiateur de diamant n=2.42, bmin= 0.413 et bmax= 0.4537 Utilisable seulement si la particules incidente est // à l’axe du système optique.

Les Rich (Ring Imaging Cherenkov Counters) L’angle d’émission q de la lumière Cherenkov ne dépend que de n et b.. Mesure de q Þ mesure de b.. Rich = milieu radiateur, système de détection de la position de photons Radiateurs gazeux, q petit, et peu de photons Principe : Radiateur gazeux entre un miroir sphérique ( f focale) de rayon RM et le détecteur dans le plan focal au rayon RD=RM / 2, les deux centrés au point d’interaction. Les rayons sont isochrones Les milieux radiateurs sont dispersifs L’indice varie avec l’énergie du photon n(E). La dispersion D q de l’angle Cherenkov, erreur chromatique domine Ex Ar q(4eV)=1°341 et q(8eV)= 1°496

Résolution et pouvoir séparateur Facteur de mérite N0 : Résolution Pouvoir séparateur :

Radiateurs liquides (solides) minces non focalisés Un radiateur mince de longueur L ( 5 à 10 mm ) dans un récipient avec une fenêtre de quartz, un photo détecteur placé à une distance D . y D L q qv qq Particule qui traverse normalement le radiateur. Au plan de détection on a : z = r cos f et x = r sinf Il faut tenir compte de la réfraction dans le quartz de la réflexion critique etc.... Ex : Radiateur H2O : n = 1.33 q = 41.°24 Fréon n=1.233 q = 35°80 Fenêtre Verre n=1.56 et qc = 39°86 Quartz n=1.458 et qc = 43°30 Absorption dans le radiateur et la fenêtre Ng = 210 par cm d’eau entre 400 et 700 nm

Les erreurs Erreur Chromatique : Erreur due à l épaisseur du milieu Erreur due à la résolution du photo détecteur

Le DIRC Radiateur : Quartz 18mm Détecteur : ~11000 PM’s de 1» dans l’eau Propagation dans le quartz par réflexion interne

Événement cosmique vu par une barre de quartz