Particle Detectors : an introduction, University of Oslo, Erik Adli, University of Oslo, August 2015,

2 25 ns Event rate in ATLAS : N = L x  (pp)  10 9 interactions/s Mostly soft ( low p T ) events Interesting hard (high-p T ) events are rare Experimental High-Energy Particle Physics

3 Z 0 production at the UA1 experiment at the CERN SppS collider (1983)

Higgs production at the ATLAS experiment at the CERN LHC collider (2012)

5 LHC-eksperimentene

6 LHC og dens detektorer LHC detectors

7 Hva skjer i kollisjonen? Jamfør kvantefeltteori (basis for standardmodellen) kan nye partikler bli skapt i kollisjonspunktet Annihilasjon av to elementærpartikler (f.eks. en kvark og en antikvark) Nye partikler genereres Utfordringer: – De fleste partikler er ustabile, noen lever kun sekunder. Disse partiklene vil derfor nesten umiddelbart henfalle til andre partikkeltyper – Det er en prosentvis svært liten sjanse for at de mest sjeldne partikkeltypene blir dannet i en kollisjon. Derfor trenger vi mange kollisjoner for å observere dem. q, g Higgs q q Z0Z0 Z0Z0

8 Detektortverrsnitt

9 What is measured? Vi ønsker å observere partikler samt identifisere partikkeltypen (e -, e + p, n,  etc.) Detektorprinsipp : – Ladde partikler vekselvirker med (ioniserer) atomiske elektroner i detektormaterialet – Derav kan vi spore partikkelens bane gjennom detektormaterialet – Tre hovedtyper : GasdetectorsScintillators Semiconductors

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes10 electron,m e b ze,v Energy loss: heavy charged particles Heavy charged particles transfer energy mostly to the atomic electrons, ionising them. We will later come back to not so heavy particles, in particular electrons/positrons. Usually the Bethe Bloch formally is used to describe this - and most of features of the Bethe Bloch formula can be understood from a very simple model : 1) Let us look at energy transfer to a single electron from heavy charged particle passing at a distance b 2) Let us multiply with the number of electrons passed 3) Let us integrate over all reasonable distances b

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes11 Heavy charges particles – Bethe-Bloch

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes12 Electrons/positrons; modify Bethe Bloch to take into account that incoming particle has same mass as the atomic electrons Bremsstrahlung in the electrical field of a charge Z comes in addition :  goes as 1/m 2 e e  Electrons and Positrons The critical energy is defined as the point where the ionisation loss is equal the bremsstrahlung loss.

13 Magnetfelt: bevegelsesmengde og ladning Ved å sette opp et (kjent) magnetfelt, B, inne i detektoren vil partikkelen gå i en krum bane. Gir utfyllende egenskaper, om partikkelens ladning og bevegelsesmengde. Retningen på krumningen vil avhenge av partikkelens ladning (+/-1) Krumningen vil avhenge av partikkelens bevegelsesmengde: s: sagitta

15 Kalorimetre: energimåling Et tykt lag materiale som partikkelen vekselvirker med, kan bremse partikkelen helt opp  den vil legge igjen hele sin energi i dette materialet. Denne energien kan avleses elektronisk. Electromagnetic calorimeter (CMS lead crystal)

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes16 The total track length : Intrinsic resolution : Text from C.Joram Electromagnetic calorimeters

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes17 Vertexing and secondary vertices This is obviously a subject for a talk on its own so let me summarize in 5 lines : Several important measurements depend on the ability to tag and reconstruct particles coming from secondary vertices hundreds of microns from the primary (giving track impact parameters in the tens of micron range), to identify systems containing b,c,  ’s; i.e generally systems with these types of decay lengths. This is naturally done with precise vertex detectors where three features are important : Robust tracking close to vertex area The innermost layer as close as possible Minimum material before first measurement in particular to minimise the multiple scattering (beam pipe most critical). The vertex resolution of is therefore usually parametrised with a constant term (geometrical) and a term depending on 1/p (multiple scattering) and also  (the angle to the beam-axis). Secondary x Primary x

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes18 Arrangement of detectors We see that various detectors and combination of information can provide particle identification; for example p versus EM energy for electrons; EM/HAD provide additional information, so does muon detectors, EM response without tracks indicate a photon; secondary vertices identify b,c,  ’s; isolation cuts help to identify leptons From C.Joram

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes19 Detector systems From C.Joram

20 Diameter25 m Lengde toroidemagnet26 m Ende-til-ende lengde46 m Vekt 7000 tonn ATLAS-detektoren ATLAS sammenlignet med den 5 etasjes bygning 40

21 ATLAS: Indre detekor ATLAS halvlederdetektor for sporfølging

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes22

23 ATLAS: kalorimetre Venstre: elektromagnetisk kalorimeter som stopper e - og   elektromagnetisk skurutvikling: pardanning + bremsestråling). Høyre: hadronisk kalorimeter. Kompakt materie (stål, jern) stopper p og n (partikler sammensatt av kvarker – hadroner).

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes24 Calorimeter system

25 ATLAS: myonkamre Myoner (tunge elektroner) er de eneste partiklene som går igjennom kalorimetrene (punktlike, lite bremsestråling) Myonkamre er derfor plassert i ytre lag av detektoren. Slik vet man at partikkelspor her kommer fra myoner.

26 ATLAS: magnetsystem ATLAS: Separate magnetsystem 1)Indre detektor) (Solenoidemagnet) 1)Myonspektrometer (Toroidemagneter)

FYS4550, 2005 Steinar Stapnes27

28 Installasjon av en toroidemagnet i ATLAS-hulen

29 ATLAS toroidemagneter

30 Å finne en partikkel...   Higgs Omtrent 10 9 p-p koll/sek ! H produksjon i denne kanalen: 100/år , p, K,…

31 25 ns Event rate in ATLAS : N = L x  (pp)  10 9 interactions/s Mostly soft ( low p T ) events Interesting hard (high-p T ) events are rare SAMMENDRAG > 100 Million Electronics Channels, 40 MHz ---> TRIGGER