Aceleradores y Detectores de partículas

CAPÍTULO 7
Aceleradores y
Detectores de partículas
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
Introducción: Motivación para el desarrollo de aceleradores
Aceleradores electrostáticos
Aceleradores lineales
El Sincrotrón
Experimentos: blanco fijo, colisionador
Introducción a los detectores de partículas
Detectores generales
Interacción radiación-materia
1
¿Qué queremos estudiar?
Big Bang
ahora
Mas viejo ….. Mas grande … mas frío ….menos energético
Martes, 13 de
Noviembre
Física de Partículas
2
-12
4x10
4x10-14
seconds
seconds
Martes, 13 de
Noviembre
Física de Partículas
3
4
Física Nuclear → Física de Partículas
  Se necesita una longitud de onda del orden de aquello que
queremos observar
  Fuentes de energía disponibles: radioactividad, rayos cósmicos,
aceleradores ⇒ Contexto de los experimentos (detectores) en
grandes laboratorios
  Utilización en gran variedad de aplicaciones: física experimental
de materia condensada, industria electrónica, biomédica y geofísica,
tratamiento de alimentos etc..
  Ciencia de aceleradores
Aceleradores
λ ~
+
Detectores

p
5
Composición de la radiación cósmica
o 
C. Wilson postula la existencia de radiación extraterrena
(descarga continua en el electroscopio).
o 
V. Hess en 1912, en un globo hasta 5300 m, observa el
cambio de pérdida de carga . La ionización aumenta con
la altitud ... a valores muy superiores al observado al
nivel del mar.
o 
R. Millikan en 1926 les dió el nombre de rayos cósmicos.
o 
o 
1928-1933: Bruno Rossi (Florence) y Pierre Auger y
Louis Leprince Ringuet (France)
(Coincidencias con Contadores Geiger-Muller)
En 1935 se explican los resultados en términos de tres
componentes de la radiación cósmica:
– 
Una radiación primaria del espacio exterior
– 
Una componente suave. Se absorbe fácilmente en pocos
centímetros de plomo dando cascadas de partículas
fácilmente absorbibles
Una componente muy penetrante, capaz de atravesar
gran cantidad de materia sin apreciable pérdida de
energía o degeneración en cascadas
– 
6
Cámara de niebla e imán (Laboratorio de C.D. Anderson)
20 de Diciembre de 1947. Primeras imágenes publicadas de la desintegración de kaones -primeros ejemplos de
partículas extrañas-. Trazas en una cámara de niebla, operada por Clifford Butler y George Rochester en la
Universidad de Manchester, expuesta a rayos cósmicos. A la izquierda se muestra la imagen de la desinte
gración de un kaón neutro. A la derecha la desintegración de un kaón cargado en un muón y un neutrino.
7
Aceleradores
• 
Aceleradores resuelven dos problemas para los físicos:
1.  Como todas las partículas se comportan como ondas, usamos los
aceleradores para incrementar el momento de las partículas y por
tanto disminuir su longitud de onda hasta ver dentro del núcleo
2.  La energía de las partículas aceleradas se usa para generar partículas
nuevas que queremos estudiar
–  Como lo conseguimos:
1.  Un acelerador toma una partícula, la acelera usando campos
electromagnéticos
2.  Se choca la partícula contra un blanco fijo o móvil (otra partícula,
por ejemplo)
3.  Rodeando a las colisiones se ponen detectores que recogen y guardan
8
todo lo que ha salido de esa colisión.
Aceleradores
La energía cinética de una hormiga que
pesa 0.1gr es:
E = 1/2m v2.
Si recorre 165 cm en 30 sg( v = 5.5 cm/sg)
E=1/2(0.1 gm)(5.5 cm/sec)2 = 1.51 ergs.
E=1.602 x 10-12E = 0.944 x 1012 eV =
0.944 TeV.
Misma energía que
un acelerador
que cuesta
millones
de euros ???
QUEEEE???
Misma energía que
un acelerador
Asumimos hormiga esta hecha solo de carbón (un mol son 12 gramos).
que
cuesta
millones
23
21
0.1/12 x 6.0022x10 =5x10 moléculas de carbón
de euros ???
Carbón tiene 6 protones y 6 neutrones =>
la hormiga tiene 6x1022 nucleones para llevar el TeV,
El acelerador da esa energía a un solo protón
9
Aceleradores
•  Un electrón-voltio es una medida de energía.
•  Es la energía cinética ganada por un electrón al pasar a través de una diferencia
de potencial igual a un voltio.
•  Un voltio no es medida de energía, un electrón voltio si.
103 eV = 1 KeV
106 eV = 1 MeV
109 eV = 1 GeV
1012 eV = 1 TeV
eV = 1.602 x 10-19 joules
Se puede construir un acelerador con pilas?
caso tevatron: cada protón lleva 1 TeV de energía
No
recomendable
1012 ev=> 1012/3=> 333
billones
de pilas
longitud: 1 millones de kilómetros !!!!
coste: cientos de millones de euros !!!
Pilas de Litio
3 voltios,
grosor 3mm
10
Aceleradores electrostáticos
Maquinas de Cockcroft-Walton. Son los aceleradores mas simples, basados en el paso de
iones a través de un conjunto de electrodos alineados sometidos a sucesivamente potenciales
fijos mas y mas altos.
La maquina consiste en una fuente de iones (frecuentemente gas de H) en un extremo y
un blanco en el otro extremo, con los electrodos colocados entre ambos. La energía cinética
ganada por los iones de carga q, pasan a través de una diferencia de potencial V, es
simplemente T = qV.
Van de Graaff
11
Aceleradores
•  Acelerador acelera a partículas cargadas creando grandes campos
eléctricos que atraen o repelen a las partículas.
|
+
ENERGIZER
+|
+
ENERGIZER
+|
+
+
+
ENERGIZER
+|
+|
+
ENERGIZER
ENERGIZER
12
Aceleradores
•  Acelerador acelera a partículas cargadas creando grandes campos
eléctricos que atraen o repelen a las partículas.
-
+
+
+
-
+
ENERGIZER
-
13
Aceleradores
•  Acelerador acelera a partículas cargadas creando grandes campos
eléctricos que atraen o repelen a las partículas.
-
+
-
+
+
+
ENERGIZER
-
14
Aceleradores
•  Acelerador acelera a partículas cargadas creando grandes campos
eléctricos que atraen o repelen a las partículas.
-
+
+
+
-
+
ENERGIZER
-
15
Aceleradores
•  Acelerador acelera a partículas cargadas creando grandes campos
eléctricos que atraen o repelen a las partículas.
-
+
-
+
+
+
ENERGIZER
-
16
Aceleradores
•  Acelerador acelera a partículas cargadas creando grandes campos
eléctricos que atraen o repelen a las partículas.
-
+
+
+
-
+
ENERGIZER
-
17
Aceleradores
•  Acelerador acelera a partículas cargadas creando grandes campos
eléctricos que atraen o repelen a las partículas.
-
+
+
+
-
+
RF
-
En un acelerados lineal, el campo es debido a ondas electromagnéticas
18
Aceleradores lineales
Aceleración de partículas a lo largo de trayectorias lineales. Basados en el principio de
resonancia. Una serie de tubos de deriva (tubos de vacío) conectados sucesivamente a
terminales alternados de un oscilador de radio frecuencia.
Fuente
de iones
-V
+V
-V
Tubos de deriva
+V
RF
19
Aceleradores lineales
TV es un acelerador lineal
Accelerador medico usado en
radioterapia
Linac es una acelerador
lineal de e+e- para el
estudio de física de
partículas
20
Aceleradores circulares
•  ¿Que tal si reciclamos?
–  Las partículas van a través
de la misma cavidad del
acelerador muchas veces
Principales ingredientes:
•  Necesita hacer que las partículas
vayan en circulo
•  Mediante imanes
•  Necesita mantener todo sincronizado
Esto es
Sincrotrón
Pequeño acelerador
Lineal
+
•  Tanto el campo magnético como eléctrico
influencian el movimiento de las
partículas
Traza circular
(pipa del haz, alto vacio)
21
Sincrotones
Radio del sincroton
pc
p
R=
→R≈
con p[GeV / c ], B[T ]
qB
0.3B
imanes ≤ 2T
30 GeV
R≈
= 50 m
p
0.3×pc
2T
R = superconductores
→R≈
imanes
≤ 10T
qB
0.3B
30 GeV
R≈
= 10 m
0.3×10 T
€
€
Imanes para curvar la
trayectoria
Seccion aceleradora
Imanes para focalizar
Tubo de vacio
(pipa del haz)
22
Fermilab
Tevatron (1000 GeV)
Main Ring (150 GeV)
23
Tevatron
LEP/LHC
1 km
4.3 km
24
Experimental Techniques in High Energy
Tipos de experimentos
Blanco fijo: colisión de una partícula contra un
blanco fjo
center of mass energy : sˆ = 2MTEB
Ej: Experimento de Rutherford
€
Colisionadores: Dos haces de partículas se
cruzan entre ellos produciendo choques entre
las partículas que los componen.
center of mass energy : sˆ ≅
LEP, TEVATRON, etc
4EB1EB2
Blanco fijo: un conjunto de bisturís para diseccionar procesos o partículas
€
concretos
Experimentos de colisión: son una herramienta muy importante para los
descubrimientos y para medidas de precisión de las partículas resonantes.
25
Colisionadores de partículas
La energía disponible en el centro de masas es :
2
ˆ
blanco fijo : s = 2ME + 2M
colisionador : sˆ = 4E1E 2
• 
• 
Leptones (e+,e-)
–  Partículas elementales ⇒ energía bien
definida
–  Ligeras ⇒ radiación sincrotrón importante
Hadrones (p+,p-)
–  Colisión de multiparticulas ⇒ dispersión
en la energía
–  Pesadas ⇒ No radiación sincrotrón
Ecm= 2*Ebeam
Primer colisionador: ISR (interacciones p p con dos anillos de aceleración)
26
Detectores
Idealmente, quieres medir todo (E, Px, Py, Px) sobre cada particula producida
en la colisión.
Charged Particles
Neutral Particles
+
-
27
¿que queremos ver?
El punto de colision es observado por
el detector que le rodea.
El detector debe tener:
•  Gran cobertura para recoger todas las
particulas
•  ser preciso
•  Ser rapido (y barato y…)
Cada proton lleva una energia de 7 GeV.
Entonces en cada “bunch” con 1011 protones
tiene una energia de 1011x7x1012 eV = 7x1023 eV
= 44 kJ.
Esto es una energia macroscopica!!!
Para conseguir esta energia andando en bici
tendriamos que ir a una velocidad de 30 km/h
Cada cruze de grupos de particulas
(¨”bunches”) resulta en 23 colisiones de
proton-proton. El numero medio de particulas
creadas en cada colisiones es sobre 1500.
El detector deberia guardar tantas como le
sea posible en cada suceso..
Aburrido dibujar
1011 protones
En cada bunch ...
28
Detectores globales
 Diseño depende de:
 Número total de particulas
 Topologia del sucesos
 Momentum/Energia
 Identificacion de particulas
}
Un unico detector no lo hace
todo
 Crea un sistema de dectores
Geometría de experimento blanco fijo
• Angulo solido limitado (dΩ) cubrimiento (forward)
• Facilemente accesible (cables, maintenance)
Geometría de un colisionador
• Cubrimiento total
• Acceso restringido
29
Detector ideal
Vista idealizada: reaccion de
particulas
❍  generalemente no se
puede ver la reaccion en si
misma
❍  para reconstruir el
procesos y la interacción
de las particulas,
necesitamos saber el
máximo sobre su estado
final
Productos finales
o Un detector ideal deberia:
o Tener un cubrimiento total en ángulo solido, sin cracks ycon una
segmetación muy final(porque ?)
o Medida del momento y la energía
o Detección, tracking e identificacioón de tofas las partículas (carga, masa)
o Respuesta rapida sin tiempo muerto
o Limitaciones prácticas: Tecnologia, espacio y dinero
Tipos individuales de detectores
• Detecgtores modernos consisten en muchas piezas diferentes
equipadas para medir las diferentes aspectos de un suceso
• Posición,Momentum,Energía,Carga,Tipo
•  Casi todo los detectores tiene técnicas similates basads enla
interacción de la partícula con la materia
•  particulas cargadas atraviesan ionizando el
material. Somos capces de detectar las señaes de
la ionización.
• Partículas cargadas excitan los atomos y cuando
se deexcitan emiten fotones, que son detectados.
• Detectores de gas : Proportional wires
MWPC, drift chambers, time projections etc
• Semiconductores: Silicon, diamonds
• cengtelleadores: Photomultipliers
• Calorimetross: passive material +scint
• Detectores identificadores de
particulas : centelleadores, cherenkov, etc
Experimental Techniques in High Energy
Detectores de particulas
Partículas detectadas
❍ Hay muy pocas partículas
que puedan ser detectadas en
un detector
❍  Electrons
❍  Muons
❍  Photons
❍  Jets
❍  mesones ligeros (kaons,
pions)
32
Interacción de diferentes partículas con la materia (energia 300 GeV,
materia bloque de hierro)
1m
electron
El electron radia fotones que se convierten en
pares de electrones positrones lo cuales a su
vez vuelven a radiar fotones y estos se vuelven
a convertir en pares electron-postitron,
etc..esto es una cascada electromagnetica.
Los muones causan mayormente solo ionización.
muon
pion (or another
hadron)
Los electrones y piones con
sus hijos son casi
completamente absorbidos
en bloques suficientemente
grandes de hierro.
Lo piones interacciones fuertemente con los nucleos de atomos de
hierro y crean varias nuevas particulas las cuales vuelven a
interaccionar con los nucleos de hierro, se vuelven a crear nuevas
particulas, etc..esto son cascadas hadronicas.
Tambien se pueden ver leptones de las desintegraciones
33
hadronicas.
Pauta general de la interacción
•  Las partículas de
alta energía penetran
en el medio antes de
que colisionen con
el.
34
Pauta general de la interacción
Cascada electromágnetica

e
•  Al ser acelerado,
un foton es
producido
35
Pauta general de la interacción
Cascada electromágnetica
e+

ee

• El fotón pasa
próximo a un
átomo en el medio
y produce un par
electron (e-) /
positron (e+)
e+
36
Pauta general de la interacción
Cascada electromágnetica
e+
e+


e+
+ee
e-

e
e-

e+
ee

e-
e+
e+
e-
e+
e-
ee-
e+
e-

e+

e
e-

e+
e+

e+

e-
•  Este proceso se
repite varias veces
formando una
cascada hasta que
las partículas no
tienen suficiente
energía para
continuar.
e+
37
Pauta general de la interacción
Cascada electromágnetica
e+
e+


e+
+ee
e-

e
e-

e+
e-

e-
e+

e+
e-
e+
e-
ee-
e+
e-

e+

e
e-

e+
e+

e+

e-
•  Este proceso se
repite varias veces
formando una
cascada hasta que
las partículas no
tienen suficiente
energía para
continuar.
e+
*Notar: Solo positrones, electrones y fotones se han formado
38
Longitud de radiación
La cual resulta en una cascada electromagnetica
•  Las distancia media que una partícula de alta
energía penetra en el medio antes de iniciar una
cascada electromagnética.
e+

e+


e+
+ee
e-

e-

e-

e+
ee

e-
e+
e+
e-
e+
e-

ee
e-
e+
e+
ee+
e
e-

e+
e+

ee+
39
Pauta general de la interacción
Cascada hadrónica
K+
p
n
Π+
Π-
Π-
•  Las partículas
con alta energía
penetran en el
medio y fracturan
el núcleo atómico
del medio en el
que entran.
40
Pauta general de la interacción
Cascada hadrónica
K+
p
n
Π+
Π-
Π-
•  Las partículas
con alta energía
penetran en el
medio y fracturan
el núcleo atómico
del medio en el
que entran.
*Notar: una gran variedad de partículas se producen, e.g., p, n,
Π, ν, Λ, Κ, Ξ
41
Pauta general de la interacción
Cascada hadrónica
K+
K+
p
n
Kν
Π+
µ
Π+
-
e
Π
e
Π-
Π-


e
Π-
• Las partículas
producidas pueden
tener suficiente
energía para
fracturar otros
núcleos o
desintegrarse ellas
µ
mismas
µ
*Notar: una gran variedad de partículas se producen, e.g., p, n,
Π, ν, Λ, Κ, Ξ
42
Longitud de interacción
De una cascada hadrónica
•  Es la distancia media que una partícula
cargada viaja en un medio antes de
desintegrarse

K+
K+
p
n
KΠ+
µ
Π+
-
e
Π
e
Π-
e
Π-
Π-


43
µ
Radiación vs longitud de interacción en Plomo (Pb)
La longitud de radiación es plomo es 0.56 cm de larga
e+ e+
+ -e+ 

+
ee
-ee- e


-e

++e
e+-+
e
e
e


e
 e
e
+

ee
e--+ee--e

e+
e
+
e e+
K+
K+
p
n
KΠ+
Π-
µ
e
e
Π-
Π-
Π+
ν
e
Π-


µ
µ
La longitud de interaccion es de 17,1cm
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
5044
Blanco de plomo de 0.4 cm
Positrones, electrones y fotones de alta energia seran
producidos
e+

ee+ -
+

ee--e
ee+

+ -
ee
e
e+
p
Virtualmente no se producen hadrones
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
45
Radiación vs longitud de interacción en cobre
e+
e+


e+
e-+  ee+

e
e


+
e- ee++ e- e+e
e

e
e
e
-
e
+
+
e
e  e 
e+
e
e+
Longitud de radiación es de 1.5 cm
e
-
e+
-
K+
K+
p
n
K-
Π+
Π-
µ
Π-
e
Π-

 15.5 cm
Longitud de interaccion es de
µ
0
5
10
15
20
25
30
35
Π+
e
40
45
46
50
Longitud de interacción en el cobre 40 cm
e+
e+
La cascada electromagnética ocurre


e+
e-+  ee+

e
e


+
e- ee++ e- e+e
e

e
e
e
e-
e- e+
e+  e+ 
e
dentro del cobre
e+
e
-
e+
-
K+
K+
p
n
KΠ+
Π-
µ
e
e
-
Π
Π-
Π+


µ
La cascada hadrónica empieza en el blanco pero
la energía crítica no es alcanzada y hadrones de
baja energía dejan el blanco
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
47
Generic detector
Calorímetro
mide la energía de las partículas. Alta
densidad y a menudo se paran aqui
Detectores de vértices
miden la posición de la partícula
cargada cerca del punto de
interacción
Solenoid (Magnets
(Curva a las partículas
dentro del campo cargado,
podemos medir el momento
de las mismas)
Muon chambers
ν
µ
Hadronic calorimeter
γ
eElectromagnetic calorimeter
No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta
esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que
tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
No se puede mostrar la
imagen. Puede que su
equipo no tenga suficiente
memoria para abrir la
imagen o que ésta esté
dañada. Reinicie el equipo
y, a continuación, abra el
archivo de nuevo. Si sigue
apareciendo la x roja,
puede que tenga que
borrar la imagen e
insertarla de nuevo.
No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga
suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté
dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de
nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que
borrar la imagen e insertarla de nuevo.
n
No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a
continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
No se
puede
mostrar
la
imagen.
Puede
que su
equipo
no
tenga
suficien
te
memori
a para
abrir la
imagen
o que
ésta
esté
dañada.
Reinicie
el
equipo
y, a
continu
ación,
abra el
archivo
de
nuevo.
Si sigue
aparecie
ndo la x
roja,
puede
No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la
imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo.
Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente
memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a
No se
puede
mostra
r la
image
n.
Puede
que su
equipo
no
tenga
suficie
nte
memor
ia para
abrir la
image
no
que
ésta
esté
dañada
.
Reinici
e el
equipo
y, a
contin
uación,
abra el
archivo
de
nuevo.
Si
sigue
p
Tracking detector
No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente
No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la
imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo.
Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Detectores de trazas
miden la posición de la partícula
cargadas y miden el momento
de las partículas.
48
Detectores de partículas
• 
+
Casi todas las partes tienen el mismo
principio (mas o menos)
•  Las partículas cargadas ionizan el
material por el que pasan y se puede
detectar las señales de esta ionización.
1.- Detectores gaseosos de ionización
1.1.- Contadores proporcionales
MWPC, Cámaras de deriva y
de Proyección Temporal
2.- Semiconductores
3.- Centelleadores
3.1.- Fotomultiplicadores
4.- Calorímetros
5.- Identificadores de partículas
+
e-
e-
µ+
edetecta electrón
+
centelleador
e-
Se excita el e,
y se des
excita
emitiendo luz
49
Interacción Radiación-Materia
1) Pérdida de energía de partículas cargadas en colisiones atómicas
1.1.- Ionización
1.2.- Pérdida por radiación
1.3.- Radiación Cherenkov
1.4.- Scattering Multiple
2) Interacción de fotones
2.1.- Efecto fotoeléctrico
2.2.- Scattering Compton
2.3.- Producción de pares
3) La interacción de neutrones
4) Cascadas electromagnéticas y hadrónicas.
50
Detectores de particulas
Constituent
Si Vertex
Track
PID
ECAL
HCAL
Muon
Electron
Primary
✔
✔
✔
-
-
Photons, γ
Primary
-
-
✔
-
-
u,d,gluon
Primary
✔
-
✔
✔
-
Neutrino,ν
-
-
-
-
-
-
Strange, s
Primary
✔
✔
✔
✔
-
c,b,τ
Secundary
✔
✔
✔
✔
-
Muon, µ
Primary
✔
-
MIP
MIP
✔
PID = Particle ID (TOF, C, dE/dx)
MIP = Minimum Ionizing Particle
51
Quiz: desintegracion del Z
Z bosons have a very short lifetime, decaying in ~10-27 s, so that only
decay particles are seen in the detector. By looking at these detector
signatures,
identify the daughters of the Z boson.
But some daughters can also decay:
52
More Fun with Z Bosons, Click Here!
CDF schematic
53
CDF Geometry
• calorimeter is arranged in
projective “towers” pointing at
the interaction region
• most of the depth is for the54
hadronic part of the
calorimeter
Experimental Techniques in High
Energy
CDF II detector
Endwall Calorimeter
Central Outer Tracker
Silicon Vertex
Detector
New Endplug Calorimeter
55
CDF II Sub-detectors
COT
SVX
TOF
Calorimeters
Muon system
56
CMS detector
57
S = Solenoid!
CMS detector
58
CMS Sub-detectors
Tracker, silicon
Tracker, pixel
Cámaras de
Muon
calorimetros
Solenoides
59
Que pasa la mayoria de las colisiones
•  Gluon-gluon scattering
–  Gluones finales eventualmente formad dos jets de ppartículas que
vuelan juntos en la dirección original del gluon
–  Cross-Section approx 40mb
•  Producción de pares Quark-antiquark
–  La mayoria son up, down y quarks extraños. Los quarks finales
también forman jets de partículas.
Colisiones raras de sucesos
Time
Sucesos raros, tal y como la
producción de Higgs son
dificiles de encontrar.
Se necesita tener buenos
detectores, triggers, sistema
de lectura de datos que
permite reconstruir la física.
61
Experimental Techniques in High
Cartoon by Claus Grupen, University of Seigen
Energy
Conseguir datos de los detectores
•  Los detectores tendran colisiones de protones cada 25 ns. ,
por ejempo con una frecuencia de 40 MHz. con 23
colisiones pp en cada cruze, un rate de 1GHz. Como es
posible que recoger datos y elaborarles de un detector tan
grande.
–  La solucion es muy humana- oncentrarnos en los sucesos
interesantes y olvidarnos de los otros. Esta tarea se hace mediante
el sistema de trigger.
–  La solución es la computación distribuida y la palabra
correspondiente es “grid”. Los datos crecen muy
rapidamente. 10 TB per day, 1 PB (1015 B) per year.
Neecesita quemar un CD cada 7 segundos, mas de
10000 CDs al dia, mas de una millon de CD´s al año...
–  ”. La palabra “grid” viende de su analogo para la
energía.
Trigger
• 
El trabajo de “Triggering” es como el de separar gotas de agua
en un chorro de agua moviendose muy rapido :
Reservoir –  - mas te vale ser rápido ( si queires separar suficientes
gotas que den datos a miles de físicos)
•  Aunque, no queremos desperdiciar ninguna gota, las que
queremos tiene que ser LA GOTA de agua :
–  Los triggers tienen que ser rapidos y correctos (una vez
que el sucesos que queremos no ha sido recogido se pierde
para siempre)
•  Necesita suficiente memoria de
Filters
almacenamiento mientras se filtran
(overflow  deadtime)
•  Volumen se reduce en cada paso, se
permite un filtrado mas refinado en el
paso siguiente:
(1) Añaden filtros (tighter trigger cuts)
(2) se recorta la paja (prescale)
(3) se compran mejores filtros
(upgrade)
resultado final: almacenar tantas gotas de
oro como sepueda
Triggers
Que vemos?
Sucesos WZ en CDF
Masa del boson Z
en sucesos WZ
Energía del neutrino
en sucesos WZ (W>lneutrino)
65
Que vemos?
Sucesos top en CDF
Masa del top
66
CDF Top Pair Event
b quark jets
high pT
muon
missing ET
b-quark lifetime:
cτ ~ 450µm
q jet 1
q jet 2
Experimental Techniques in High
Energy
→ b quarks travel
~3 mm before decay
67
CDF Top Pair Event
68
Experimental Techniques in High
Energy
QCD Di-Jet Event, Calorimeter Unfolded
Central/Plug
Di-Jet
69
Experimental Techniques in High
Energy
Unfolded Top/anti-Top Candidate
Run 1
Event
70
Experimental Techniques in High
Energy
Unfolded Top/anti-Top Candidate
Run 2 Event
71
Experimental Techniques in High
Energy
“Jets”
Jet (jet) n. a collimated spray of high energy hadrons
Quarks fragment into many
particles to form a jet,
depositing energy in both
calorimeters.
Experimental
Techniques
Jet shapes narrower
at high
ET. in High
Energy
72
Higgs at LHC
gg->H
bb
qq->Hqq
Excluded
95% CL
68% CL
Physics processes at hadron
colliders
109/s
σ(inelastic)
σ (pb)
b quark production
102/s
QCD jet, Et>100 GeV
W
Z
top
0.1/s
Event rate @ 1034cm-2s-1
Quark and gluons
in final state
→high energy « isolated »
e and µ
Higgs mass = 120 GeV
Note: Tevatron run 1
σ(top) ~ 5pb
σ(tot) ~ 60 mb
Estados finales en el detector
signal
backgrounds
H ⇒ γγ
2 γ ~ >1/2 MH each
0 leptons, jets
H ⇒ WW
Diphoton production
Fake jets (also conversion
and electrons fakes)
Wjj, WW/ZZ,top
QCD, fakes b
2 W boson ~ 1/2 MH each
2 lepton ~ 40 GeV each
Missing ET ~ 50 GeV
or jets
75
examples
Low MH < 140 GeV/c2
Medium 130<MH<500 GeV/c2
High MH > ~500 GeV/c2
76
Que vemos?
• Reconstruimos masas invariantes con los productos
finales de los sucesos:
•  dos fotones, cuatro leptones, jets, etc.
•  H-> gg y H ->ZZ* ->4 leptones con muy buena resolución de
masa ~1%
•  Mira por excesos sobre las distribuciones de fondo
Aqui esta la estrategia general de un detector actual de particulas para
capturar todas las particulas:
Calorimetros hadronicos:
Hechos de material que produce
cascadas hadronicas y y mide la
energia depositada.
Campo magnetico curva las trazas y ayuda
a la medida del momento de las particulas.
Neutrinos escapan sin deteccion
Tracker: no tiene mucho
materia y esta segmentado
finamente para medir
precisamente las posiciones
de las particulas.
Calorimetro
electromagnetico: hechos de
material que produce cascadas
electromagneticacs y mide la
energia depositada
Detectores de muones:
No te importa la
absorcion de muones si no
78
guardas las trazas.
Estudiando los datos
If we find the Higgs: STUDY THE PROPERTIES
•  Mass (be measured with LHC to 0.1% up to mH~ 500 GeV)
• Width
• Spin,CP (SM 0++)
• Couplings to other bosons and to fermions
• Higgs auto-coupling
→ final word about SM Higgs mechanism
A Linear Collider accelerator(e+e-) will provide precision measurements on absolute
couplings ~%, quantum numbers (spin, CP…), rare decays of the Higgs, and the
Higgs potential
→A LC aims for a full validation of the Higgs Mechanism
Conseguir datos de los detectores
·  Los detectores tendran colisiones cada 25 ns, con una frecuencia de 40 MHz.
Con 23 colisiones cada vez que se cruzen los “bunches, quiere decir que tenemos
una produccion de colisiones de casi un GHz. Unos pocos de GHz es la frecuecni
de computacion de los procesadores actuales. Entonces como puede ser que
almacenemos y procesemos los datos de detectores tan grandes??
· La solucion es bastante “humana”, concentrarnos en los sucesos mas interesante y
tirar el resto. Esto se hace por los sistemas de trigger.
· Como se puede almacenar tanta informacion. Mas de 100 MB por segundo, sobr e
un 10 TB por dia, 1PB(1015 bytes). Se necesita quemar un CD cada 7 sg, mas de
10000 Cd’s por dia y millones al
· La solucionn distribuir los datos y la computacion, se llama GRID. La palabra “grid”
tiene su analogia en el grid electrico.
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