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

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

2 2 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 3 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 4 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Radiação Fontes Naturais de Radiação: Radioisótopos – baixa energia (MeV) Raios Cósmicos- Alta energia (GeV) Tipos de Radiação: Neutranêutrons, neutrino, gama CarregadaLéptons, hádrons, prótons, núcleos Tipos de Interação: Eletromagnéticapartículas carregadas, gamas Fortenêutrons Fracaneutrinos gravitacionalgrávitons

5 5 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Principais processos radioativos: Decaimento Alfa (α)Espectro discreto (MeV) Decaimento Beta (β)Espectro contínuo (keV-MeV) Emissão Gama (γ)Espectro discreto (keV-MeV) Emissão de raio-XEspectro discreto (eV-keV) Captura de elétrons (EC)Emissão de neutrinos + raio X Aniquilação de pósitronsEmissão discreta (511 keV) Conversão internaEspectro discreto de elétrons (keV) Elétrons de AugerEspectro discreto (eV-keV) Fissão NuclearEspectro contínuo (keV-MeV) 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.

6 6 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Decaimento Alfa ( ): Decaimento : Processo onde o núcleo emite espontaneamente um núcleo de 4 He. 5,48 MeV433 anos 5,30 MeV138 dias

7 7 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Decaimento Beta: Decaimento : Processo onde o núcleo emite espontaneamente um elétron (e - ) ou um pósitron (e + ).

8 8 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Decaimento Gama Decaimento : Processo onde o núcleo em um estado excitado emite um fóton.

9 Aniquilação de pósitrons

10 10 Regra do decaimento: Meia vida Vida média Se considerarmos que a probabilidade de que ocorra um decaimento seja dado por, o número de decaimentos dN, em um intervalo de tempo dt será dado por: Resolvendo esta equação teremos: Onde a vida média é definida como: Definimos a meia vida( 1/2 ) como sendo o tempo que leva para metade da amostra decair, ou seja, N=(1/2)N 0, então teremos Regras probabilísticas, sujeito a flutuações estatísticas.

11 11 Datação através da medida de radioisótopos. meia vida de 5730 anos. 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.

12 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 14 C e 12 C ? Meia vida do 14 C 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 13 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 Z 0. 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 Q0,78 MeV, como Q>0, é um decaimento espontâneo, com vida média de aproximadamente t898s. Decaimento, mais de perto:

14 14 Reação inversa de pn? 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 E 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 15 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 16 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 E e =h m,v,E z 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 17 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 18 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 Característica da partícula incidente 2. Característica do meio, densidade de elétrons 3. I: Potencial médio de excitação. 4. T max : é a energia máxima que pode ser transferida em uma colisão. 5. Correção devido a efeitos de densidade e polarização do meio

19 19 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 dE/dx Kpd 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. E mp Probability ( E) E>

20 20 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 21 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Interação de fótons com a matéria 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 photoelectric compton pair prod. cm 2 /g sodium iodide MeV

22 22 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 23 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 [cm 2 /g] x : é a espessura do absorvedor λ : é o livre caminho médio (µρ) -1

24 24 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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< cm) 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 25 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 26 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 27 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Princípio Geral de um detector A interação gera partículas (radiação) secundária: elétrons (semicondutores) Luz (cintiladores) e- e+ e-

28 28 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Princípio Geral de um detector No caso da radiação secundária ser fótons (Luz) é necessário um conversor de luz para elétrons (Fotocatodo) e- e+ e- e+ e- e+ e-

29 29 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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. e- e+ e- e+ e- e+ e-

30 30 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Princípio Geral de um detector O sinal analógico é coletado pela eletrônica de frente, amplificado (pré-amplificação), formatado (shapping), digitalizado (ADC). e- e+ e- e+ e- e+ e- ADC

31 31 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 ( ) e bárions (p) partículas estranhas (K, ) partículas charmosas (J/ ) Novos estados da matéria: QGP.

34 34 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 O que quero medir? Das Partículas: Z – Número atômico. A – Massa Atômica. C – Carga. E – Energia. P – Momento (direção). 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. Energia de ionização das partículas. Total (E) O que posso medir medir? Parcial ( E) Velocidade da partícula (V) Trajetória da Partícula

35 35 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 36 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Tipos de detectores: O Olho Humanofótons Tela de TVelétrons Filme fotográficofótons Sensor de Infravermelho fótons Detector de fumaçaalfas Câmeras Digitaisfótons No dia a dia:

37 37 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Tipos de detectores: Detectores de Emulsão:Filmes.Part. Carregadas Detectores Cintiladores:Cristais / plásticos / água. Partículas/fótons/ Nêutrons Detectores Semicondutores:Silício, GermânioPartículas/fótons Câmaras de Ionização:Cloud/Bubble Chambers Contadores Proporcionais Wire Chambers Time Projection Chambers Part. Carregadas Det. De Radiação CherenkovMeio dielétricoPartículas Carregadas Em experimentos de Física Nuclear e de Altas Energias:

38 38 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 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 39 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Obrigado.


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