Daniel Corrêa de GuamáVinícius Franco Lima

Detectores do LHCb - 2009

Introdução

Múons estão presentes em muitos dos estágios finais dos decaimentos do méson B, e assim a detecção é vitalmente importante para o experimento LHCb.

Localizado no final do detector, o sistema de múons compreende cinco estações retangulares, gradualmente ampliadas em tamanho e cobrindo uma área combinada de 435m² (~ o tamanho de uma quadra de basquete).

Cada estação contém câmaras preenchidas com uma combinação de três gases: CO2, Ar e CF4. Os múons que passam reagem com esta mistura, e os fios de eletrodos detectam os resultados.

No total, o sistema de múons contém cerca de 1400 câmaras e 2.5 milhões de fios (o suficiente para ligar Genebra à Madri).

Detectores de IonizaçãoForam os primeiros dispositivos elétricos desenvolvidos para detectar

radiação. São baseados na coleção direta de elétrons e íons de ionização

produzidos num gás pela passagem da radiação.

Devido a maior mobilidade de elétrons e íons, um gás é o melhor meio

para a coleção de ionização.

Consiste e um container com

paredes condutoras uma janela fina

ao fim. É preenchido com um gás

apropriado, usualmente um gás

nobre. Ao longo do seu eixo é

suspenso um fio condutor no qual

uma voltagem positiva (Vo) relativa

às paredes é aplicada.Fig: Configuração básica de um detector à gás.

Se radiação penetra o container, um

certo número de pares elétron-íon serão

criados.

O número médio de pares criados é

proporcional à energia depositada no

contador. Sob a ação do campo elétrico, os

elétrons serão acelerados para o anodo e

os íons para o catodo onde serão

coletados.

O sinal observado, entretanto,

dependerá da intensidade do campo. Fig: Número de íons coletados pela voltagem

aplicada em uma única câmara.

Detectores de Ionização

Ionização e Fenômenos de Transporte

Interação da radiação com a matéria

Número médio de pares criados

Fenômenos interferentes

• excitação

• ionização

• não depende do tipo da partícula e sim

do tipo do gás

• para gases: ~ 1 par a cada 30eV de energia

perdida

• recombinação (devido à interação Coulombiana,

emitindo um fóton)

• anexação eletrônica (captura de e- livres por átomos

eletronegativos)

Transporte de e- e íons em Gases

Movimento dos e- é descrito pela teoria cinética dos gases.

• difusão (sem campo elétrico)

• arrasto (com campo elétrico) Fenômenos de transporte

Difusão: e- liberados pela passagem da radiação se difundem uniformemente

para fora do ponto de interação. Ele sofre múltiplas colisões com moléculas do

gás e perde energia até entrar em equilíbrio térmico com o mesmo e recombinar.

mkT

v8

A velocidade média das cargas, dada pela distribuição de Maxwell fica:

Obviamente, a velocidade média dos e- é maior que a dos íons.

Transporte de e- e íons em Gases

Dt

x

Dt

N

dx

dN

4exp

4

20

Dtx 2)(

p

kT

02

1

m

kT

pD

3

0

1

3

2

vD3

1

Da teoria cinética, a distribuição linear das cargas depois de se difundir em

um tempo t pode ser dada por:

O erro da propagação em x fica:

O coeficiente de difusão é um parâmetro que pode ser calculado da teoria

cinética e pode-se mostrar ser:

Para um gás clássico ideal , então teremos:

Transporte de e- e íons em Gases

E

u

e

kTD

Fig: velocidades de arrasto de e- em várias misturas de

gases como função do campo elétrico.

Arrasto e mobilidade: e- e íons libertados pela radiação são acelerados ao

longo das linhas de campo. A aceleração é interrompida pelas colisões com

moléculas do gás. A velocidade

média alcançada é conhecida

como velocidade de arrasto.

Da teoria cinética, definimos a

mobilidade de uma carga

como:

Para um gás ideal teremos:

Multiplicação Avalanche

xnndxndn exp0

xn

nM exp

0

2

1

)(expr

r

dxxM

A multiplicação ocorre quando elétrons da ionização primária ganham do

campo elétrico energia suficiente para também ionizar moléculas do gás.

A repetição sucessiva do processo ocasiona uma avalanche.

Fig: Formação da gota devido à maior

mobilidade dos elétrons no gás.

O fator de multiplicação então será:

Se : )(x

Se é o caminho livre médio, então é a

probabilidade de ionização por unidade de comprimento.

Se há n e- numa distância dx criar-se-ão dn novos e-:

/1

A Câmara Proporcional Multifilar

• A câmara proporcional

multifilar foi desenvolvida por

Charpak em 1968, no CERN.

• Charpak mostrou que uma

série de fios dentro de uma

mesma câmara

comportavam-se como uma

série de câmaras monofilares

proporcionais.

Tomada de dados com

as MWPC

Sobreposição de planos de anodos nas direções x /y.

Razão entre os sinais medidos.

Método do centro de gravidade : Uso

de sinais em vários anodos.

O Sistema de MúonsAs câmaras de múons do LHCb foram

projetadas com objetivo de trabalhar na

reconstrução de eventos importantes

que tem como estado final múons.

Também é função dos sistema de

múons fornecer dados para o trigger L0.

Desafios do sistema de múons :

•Fornecer dados sobre múons de alto momento

transverso para o trigger.

•Identificar claramente a passagem de bunches

pelo detector.

•Permitir que, na reconstrução offline, os múons

sejam reconstruídos com uma eficiência superior

à 90% com momentos a partir de 3GeV/c.

O Sistema de Múons

MWPCs em todas as estações.

Detectores do tipo GEM na estação M1 Região R1.

Organização do sistema de múons :

• Estações.

• Regiões.

• Câmaras.

• Pads Lógicos.

O Sistema de MúonsRegiões :

São divisões entre as câmaras de uma mesma estação,

visando ajustar a granularidade do detector à ocupância

da região.R1 é a região mais próxima ao tubo do feixe e

a que possui maior granularidade.

O Sistema de MúonsCâmaras Multifilares Proporcionais :

As MWPCs do sistema de múons do LHCb variam em

tamanho, forma e obtenção de sinais. As câmaras da M1

possuem dois intervalos, para minimizar a quantidade de

material antes dos calorímetros enquanto todas as

outras possuem 4.

Informações sobre as MWPCs :

• 1368 câmaras no total.

• Espaçamento entre os fios de 2mm. (aprox. 3 milhões de fios)

• Proporção da mistura de gás : Ar(40%),CO2(50%), CH4(10%).

• Tensão de funcionamento : 2,7kV.

• Ganho do gás : 510

O Sistema de MúonsPads Lógicos :

Os Pads Lógicos representam a definição do detector

naquela área. Cada Pad é ligado a um canal eletrônico

independente, contudo o Pad pode considerar o sinal de

uma área do catodo, do anodo ou de ambos,

dependendo da região e da estação.

Sinal do anodo → Região 4 de todas as estações.

Sinal combinado →Regiões 1 e 2 das estações M1 e M2.

Sinal do catodo → Todas as outras Regiões.

O Sistema de MúonsGEM (Gas Electron Multiplier) :

Os detectores utilizados na

região R1 da estação M1

possuem uma tecnologia

diferente da aplicada com as

MWPCs. Embora os detectores

ainda se baseiem no processo

de ionização, os GEM usam

uma série de buracos da ordem

de micrômetros para gerar as

avalanches.

Referências Bibliográficas

Leo, W.R. – Techiniques for Nuclear and Particle Physics Experiments –

1993.

The LHCb Collaboration – Muon System Technical Design Report - 2001.

Polycarpo, E – Estudo da Sensibilidade do Experimento LHCb ao

Decaimento Raro Bs->mu+um- e Contribuição ao Desenvolvimento do

Sistema de Múons.- 2002.

Blum, W.,Rolandi,L. –Particle Detection with Drift Chambers – 1993.