Jun Takahashi IFGW-UNICAMP

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1 Jun Takahashi IFGW-UNICAMP
“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias” (Aula 02) Jun Takahashi IFGW-UNICAMP

2 Índice Geral: Aula 01: Revisão sobre a Física de Partículas e noções básicas sobre aceleradores. Aula 02: Radiações e interação da radiação com a matéria. Princípios gerais de detecção e um resumo sobre os principais tipos de detectores. Aula 03: Detectores a gás, detectores semicondutores, e cintiladores. Aula 04: Métodos de análise de dados, estatística, tracking, Vértices Secundários, PID e trigger. Aula 05: Os experimentos do RHIC e do LHC. Experimentos de neutrinos e o observatório Auger. Aplicações de detectores em outras áreas.

3 Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação. Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores

4 Radiação Fontes Naturais de Radiação: Tipos de Radiação:
Radioisótopos – baixa energia (MeV) Raios Cósmicos - Alta energia (GeV) Tipos de Radiação: Neutra nêutrons, neutrino, gama Carregada Léptons, hádrons, prótons, núcleos Tipos de Interação: Eletromagnética partículas carregadas, gamas Forte nêutrons Fraca neutrinos gravitacional grávitons

5 Principais processos radioativos:
Utilizando fontes radioativas, é possível testar e calibrar os diferentes tipos de detectores, e portanto, são ferramentas fundamentais em um laboratório de física nuclear, ou de instrumentação para física de partículas. Decaimento Alfa (α) Espectro discreto (MeV) Decaimento Beta (β) Espectro contínuo (keV-MeV) Emissão Gama (γ) Espectro discreto (keV-MeV) Emissão de raio-X Espectro discreto (eV-keV) Captura de elétrons (EC) Emissão de neutrinos + raio X Aniquilação de pósitrons Emissão discreta (511 keV) Conversão interna Espectro discreto de elétrons (keV) Elétrons de Auger Espectro discreto (eV-keV) Fissão Nuclear Espectro contínuo (keV-MeV)

6 Decaimento Alfa (a): 5,48 MeV 433 anos 5,30 MeV 138 dias
Decaimento a: Processo onde o núcleo emite espontaneamente um núcleo de 4He. 5,48 MeV 433 anos 5,30 MeV 138 dias

7 Decaimento Beta: Decaimento b: Processo onde o núcleo emite espontaneamente um elétron (e-) ou um pósitron (e+).

8 Decaimento Gama Decaimento g: Processo onde o núcleo em um estado excitado emite um fóton.

9 Aniquilação de pósitrons

10 Regra do decaimento: Se considerarmos que a probabilidade de que ocorra um decaimento seja dado por w, o número de decaimentos dN, em um intervalo de tempo dt será dado por: Meia vida Vida média Resolvendo esta equação teremos: Onde a vida média é definida como: Definimos a meia vida(t1/2) como sendo o tempo que leva para metade da amostra decair, ou seja, N=(1/2)N0, então teremos Regras probabilísticas, sujeito a flutuações estatísticas.

11 Datação através da medida de radioisótopos.
Enquanto a planta está viva, a taxa de absorção e a taxa de decaimento se mantêm constante, resultando em ~15 desintegrações por minuto por grama de carbono. meia vida de 5730 anos.

12 Exemplo de datação via Carbono:
A taxa de decaimento beta de um osso contendo 200 g de carbono é de 400 decaimentos por minuto. Qual a idade do osso? Qual a razão entre os isótopos 14C e 12C ? Meia vida do 14C é de 5730 anos, e 1 g de carbono de um organismo vivo emite aproximadamente 15 decaimentos /minuto. Se o osso fosse extraído de um ser vivo, teria: Pela regra de decaimentos temos:

13 Decaimento b, mais de perto:
É o processo preferencial em que um núcleo complexo retorna à linha de estabilidade. Envolve a interação fraca de curto alcance, e os bósons de gauge W± e Z0. Envolve o aparecimento de uma nova partícula, o neutrino, proposto por Pauli (1934) para explicar o espectro contínuo do decaimento beta. Envolve a mudança de sabor de quarks, para transformar um nêutron em um próton. Decaimento de 1 nêutron livre para um próton tem Q≈0,78 MeV, como Q>0, é um decaimento espontâneo, com vida média de aproximadamente t≈898s.

14 Reação inversa de p→n? O decaimento espontâneo de um próton para um nêutron, em princípio não deve ocorrer pois a massa do nêutron é maior que a massa do próton, portanto o Q do decaimento seria negativo. No entanto, o princípio de incerteza nos diz que: portanto, para um tempo suficientemente grande, talvez seja possível que DE seja pequeno a ponto de permitir um decaimento espontâneo de um próton para um nêutron. Medir o tempo de decaimento espontâneo do próton em um nêutron era o objetivo inicial do experimento Kamiokande no Japão.

15 Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação. Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores

16 O caso de partículas carregadas
Em geral, na passagem de uma partícula carregada por um meio ocorrem duas coisas: perda de energia da partícula deflexão na trajetória da partícula m,v’,E’z Ee=hv m,v,Ez g z Estes efeitos se devem primordialmente aos processos: Espalhamento inelástico com o campo Coulombiano atômico Excitação Ionização Interação com o núcleo, espalhamento e reação. Emissão de radiação Cherenkov Bremsstrahlung

17 Stopping Power A interação da partícula com o meio é um processo probabilístico, no entanto, como o número de interações em geral é grande em um comprimento macroscópico, as flutuações de energia são pequenas e se pode obter um valor médio da perda de energia. Esta grandeza é chamada de “stopping power” ou simplesmente dE/dx. S = “stopping power” = valor médio da perda de energia por unidade de comprimento

18 Fórmula de Bethe-Bloch
A fórmula de Bethe-Bloch é deduzida considerando a transferência de energia da partícula incidente para o meio parametrizado pela transferência quantizada de momento. 1 2 3 4 5 1. Característica da partícula incidente 2. Característica do meio, densidade de elétrons 3. I: Potencial médio de excitação. 4. Tmax: é a energia máxima que pode ser transferida em uma colisão. 5. Correção devido a efeitos de densidade e polarização do meio.

19 dE/dx  K p d e Em geral, para alvos finos, a distribuição da perda de energia varia com a distribuição de probabilidade de Landau, e a fórmula de Bethe-Bloch fornece o valor médio da distribuição. No limite de alvos de grande espessura, a distribuição passa a ser Gaussiana. DEmp Probability (DE) <DE>

20 dE/dx No caso de partículas leves como os elétrons e múons, a perda de energia por radiação Bremsstrahlung passa a ser dominante na região de altas energias.

21 Interação de fótons com a matéria
photoelectric compton pair prod. cm2/g sodium iodide MeV A interação de fótons com a matéria é dramaticamente diferente do caso de partículas carregadas. As principais interações de raio-X e raio Gama coma matéria são: Efeito fotoelétrico Espalhamento Compton Produção de Pares

22 Interação da radiação EM em faixas de energias mais baixas
Interação com microondas: A energia do fóton é muito pequena 0,0001 eV, portanto existe um número reduzido de estados de energia. Interação na faixa do infra-vermelho: Densidade de estados finais maior. E max ~0,5 eV. Interação na faixa do visível: Forte absorção devido aos estados de excitação atômica, 2 eV. Interação na faixa do ultra-violeta: Energia suficiente para causar ionização, 50 eV.

23 Interação de fótons com a matéria
Um feixe de raio-X ou Gama não perde energia em um alvo, como é o caso de um feixe de partículas carregadas. A interação de um fóton com a matéria é um evento singular, diferente do caso de partículas carregadas que sofrem interações múltiplas. No caso de fótons, o número total de fótons é reduzido, portanto parte dos fótons é absorvido pelo meio, ou melhor dizendo, o feixe é atenuado. A atenuação de um feixe de fótons é uma função exponencial da largura do absorvedor (x). µ : é o coeficiente de atenuação de massa [cm2/g] x : é a espessura do absorvedor λ : é o livre caminho médio (µρ)-1

24 Interação de nêutrons com a matéria
Os nêutrons, assim como os fótons, não possuem carga e portanto, não estão sujeitos ao campo Coulombiano e não interagem com os elétrons dos núcleos. O nêutrons interagem via força forte, diretamente com os núcleos dos átomos. Assim sendo, só podem interagir se chegarem bem próximos do núcleo (d<10-13cm) e portanto a seção de choque de interação de nêutrons é bem menor que a de partículas carregadas. A interação de nêutrons ocorre principalmente por: Espalhamento elástico no núcleo dos átomos: A(n,n)A Espalhamento inelástico : A(n,n)A* Captura de nêutrons: n+(Z,A)-> (Z,A+1)* Reação nuclear (fissão, produção de chuveiro hadrônico ...)

25 Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação
Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores

26 Princípio Geral de um detector
Meio que interage com a partícula ou radiação a ser medida. Sólido (semicondutores, cristais, chumbo, gelo,filme) Líquido (cintilador, água) Gás (Ar, P10, argônio)

27 Princípio Geral de um detector
A interação gera partículas (radiação) secundária: elétrons (semicondutores) Luz (cintiladores)

28 Princípio Geral de um detector
No caso da radiação secundária ser fótons (Luz) é necessário um conversor de luz para elétrons (Fotocatodo)

29 Princípio Geral de um detector
Uma vez coletado os elétrons, é necessário amplificar o pulso de corrente para que possamos extrair um sinal acima do ruído eletrônico. Muitas vezes (detectores a gás), a amplificação do sinal é efetuado no próprio meio interagente.

30 Princípio Geral de um detector
ADC O sinal analógico é coletado pela eletrônica de “frente”, amplificado (pré-amplificação), formatado (shapping), digitalizado (ADC).

31 Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação
Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores

32 O que sai de uma Reação Nuclear ?
Baixas Energias: Fótons-Radiação Gamma. Isótopos excitados. Núcleos Novos, mais pesados. Núcleos Exóticos, fora da linha de estabilidade. Núcleos Residuais.

33 O que sai de uma Reação Nuclear ?
Altas Energias: Fótons de alta energia (Gama) Partículas Novas: mésons (p) e bárions (p) partículas estranhas (K, L) partículas charmosas (J/Y) Novos estados da matéria: QGP.

34 Velocidade da partícula (V) Trajetória da Partícula
O que quero medir? O que posso medir medir? Energia de ionização das partículas. Total (E) Das Partículas: Z – Número atômico. A – Massa Atômica. C – Carga. E – Energia. P – Momento (direção). Parcial (DE) Velocidade da partícula (V) Trajetória da Partícula Das reações: Novas partículas. Seção de choque dos diversos processos e partículas. Seções de choque diferencial: Distribuição espacial: angular, pseudo-rapidez. Espectro de energia, Distribuição de momento.

35 Índice da Aula 02: Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação
Interação da radiação com a matéria Princípios Gerais de detecção Observáveis a serem medidos Principais tipos de detectores

36 Tipos de detectores: No dia a dia: O Olho Humano fótons Tela de TV
elétrons Filme fotográfico Sensor de Infravermelho Detector de fumaça alfas Câmeras Digitais

37 Em experimentos de Física Nuclear e de Altas Energias:
Tipos de detectores: Em experimentos de Física Nuclear e de Altas Energias: Detectores de Emulsão: Filmes. Part. Carregadas Detectores Cintiladores: Cristais / plásticos / água. Partículas/fótons/ Nêutrons Detectores Semicondutores: Silício, Germânio Partículas/fótons Câmaras de Ionização: Cloud/Bubble Chambers Contadores Proporcionais Wire Chambers Time Projection Chambers Det. De Radiação Cherenkov Meio dielétrico Partículas Carregadas

38 Principais características de Detectores
Sensibilidade do detector para as diferentes partículas Ruído e Sinal Resolução em energia Resolução em posição Resolução em tempo Capacidade de Identificação Tempo morto Eficiência Ângulo sólido / áreas mortas / cobertura Resistência a danos de radiação Custo

39 Obrigado.