aula 02 - mesonpi - cbpf

“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas

Energias”(Aula 02)

Jun TakahashiIFGW-UNICAMP

2Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 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.


Índice da Aula 02:

Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação.Interação da radiação com a matériaPrincípios Gerais de detecçãoObserváveis a serem medidosPrincipais tipos de detectores


Radiação

Fontes Naturais 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


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-X Espectro discreto (eV-keV)Captura de elétrons (EC) Emissão de neutrinos + raio XAniquilação 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)

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 ():

Decaimento : Processo onde o núcleo emite espontaneamente um núcleo de 4He. HeUPu 4

223692

24094

HeNpAm 42

23793

24195

HePbPo 42

20682

21084

5,48 MeV 433 anos

5,30 MeV 138 dias


Decaimento Beta:

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


Decaimento Gama Decaimento : Processo onde o núcleo em um estado excitado emite um

fóton.

PuPu 24094

*24094

Aniquilação de pósitrons

10

Regra do decaimento:

dttNtdN

teNtN 0

1

693.02ln21

0 1 2 30.0

0.5

1.0

0,693

e-1

N/N

0

t/

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)N0, então teremos

Regras probabilísticas, sujeito aflutuações estatísticas.

11

Datação através da medida de radioisótopos.

meia vida de 5730 anos. 12126

146 103,1 CC

NC 147

146

12126

146 10CC

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.

teNtN 0

214CO

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:

min3000200min

15 sdecaimentogg

sdecaimento

teNtN 0

Pela regra de decaimentos temos:

3000400

te

4003000ln1

t

01,24003000ln1t anosanos 8267

693.05730

2ln1 21

.16616 anost

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 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.

Decaimento , mais de perto:

eeud

MeVQ 782,0

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:

2

tE

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.


Índice da Aula 02:

Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiação.Interação da radiação com a matériaPrincípios Gerais de detecçãoObserváveis a serem medidosPrincipais tipos de detectores


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=h

m,v,Ez

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


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.

dxdES S = “stopping power” = valor médio da

perda de energia por unidade de comprimento


Fórmula de Bethe-Bloch

2)1(2ln

214 2

max22

220

220

24

T

Icm

AZN

cmze

dxdE

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

1. Característica da partícula incidente2. Característica do meio, densidade de elétrons3. 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.

2 3 54


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.

Emp

Prob

abilit

y (

E)

E>


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.


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

[email protected]

photoelectric

compton

pair prod.

cm2 /g

sodi

um io

dide

MeV


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.


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).

/00

Xx eIeII

µ : é o coeficiente de atenuação de massa [cm2/g]x : é a espessura do absorvedorλ : é o livre caminho médio (µρ)-1


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 ...)

CapturaInelastElastTot ..


Índice da Aula 02:

Revisão sobre fonte radioativas e tipos de radiaçãoInteração da radiação com a matériaPrincípios Gerais de detecçãoObserváveis a serem medidosPrincipais tipos de detectores


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)



A interação gera partículas (radiação) secundária:• elétrons (semicondutores)• Luz (cintiladores)

e-e-

e-e-

e+e+

e+e+

e+

e-



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

e-e-

e-e-

e+e+

e+e+

e+

e-e+

e-

e+

e-



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+e+

e+

e-e+

e-

e+

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-



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

e-e-

e-e-

e+e+

e+e+

e+

e-e+

e-

e+

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-e-

e-e-

e-e-

e- ADC


Índice da Aula 02:


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.

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.


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


Índice da Aula 02:



Tipos de detectores:

O Olho Humano fótonsTela de TV elétronsFilme fotográfico fótonsSensor de Infravermelho

fótons

Detector de fumaça alfasCâmeras Digitais fótons

No dia a dia:


Tipos de detectores:

Detectores de Emulsão: Filmes. Part. CarregadasDetectores Cintiladores: Cristais / plásticos /

água.Partículas/fótons/Nêutrons

Detectores Semicondutores: Silício, Germânio Partículas/fótonsCâmaras de Ionização: Cloud/Bubble

ChambersContadores ProporcionaisWire ChambersTime Projection Chambers

Part. Carregadas

Det. De Radiação Cherenkov Meio dielétrico Partículas Carregadas

Em experimentos de Física Nuclear e de Altas Energias:


Principais características de Detectores

Sensibilidade do detector para as diferentes partículasRuído e SinalResolução em energiaResolução em posiçãoResolução em tempoCapacidade de IdentificaçãoTempo mortoEficiênciaÂngulo sólido / áreas mortas / coberturaResistência a danos de radiaçãoCusto


Obrigado.

aula 02 - mesonpi - cbpf

Documents