particleExperimental physics
particle interactions 3. in particle detectors
lots of material borrowed from the excellent course of H.-C. Schultz-Coulon http://www.kip.uni-heidelberg.de/~coulon/Lectures/Detectors/
Marco Delmastro Experimental Particle Physics 1 How do we detect particles? • In order to detect a particle, it must: ! interact with the material of the detector ! transfer energy in some recognizable fashion (signal) • Detection of particles happens via their energy loss in the material they traverses
multiple Charged particles Ionization, Bremsstrahlung, Cherenkov, … interactions single Photons Photo/Compton effect, pair production interactions… multiple Hadrons Nuclear interactions interactions Neutrinos Weak interactions
Marco Delmastro Experimental Particle Physics 2 ExampleParticle Interactionsof particle interactions– Examples
Ionization: Pair Compton production: scattering: Charged Particle Positron Electron Electron
γ γ
x γ γ Nucleus Electron Electron
Photon Charged Electron Particle Photon Photon
Positron Electron Electron Atom Nucleus
Marco Delmastro Experimental Particle Physics 3 4 27. Passage of particles through matter
+
] µ on Cu g / 2 100 −
m µ c Bethe-Bloch Radiative V
e Anderson- M -
[ Ziegler d
f f r r r e a a h w h d o Eµc c n p
10 i S
g Radiative L Radiative n i Minimum effects losses p
p ionization reach 1% o
t Nuclear
S losses Without δ 1 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 104 105 106 βγ
0.1 1 10 100 1 10 100 1 10 100 EnergyEnergy loss Loss[ Mbye Vby/ c]ionization: Ionization –Bethe-Bloch dE/dx[GeV/c] formula[T eV/c] Muon momentum Fig. 27.1: Stopping power (= dE/dx )forpositivemuonsincopperasa ⟨− ⟩ function of βγ = p/Mc over nine2 orders2 of magnitudeCharged in momentum (12 orders For now assume: Mc ≫ mec of magnitude in kinetic energy). Solid curves indicateParticle the total stopping power. Datai.e. below energy the loss break for at heavyβγ charged0.1aretakenfromICRU49[4], particles anddata at higher energies are from Ref.≈ 5. Vertical bands indicate boundaries between [dE/dx for electrons more difficult ...] different approximations discussed in the text. The short dottedγ lines labeled “µ− ”illustratethe“Barkaseffect,” the dependence of stopping power on projectile chargeInteraction at very low dominated energies [6]. Electron by elastic collisions with electrons ... 27.2.2. Stopping power at intermediate energies : The mean rate of energy loss by moderately relativisticBethe-Bloch charged Formula heavy particles, M1/δx,iswell-describedbythe“Bethe-Bloch”equation, dE Z 1 1 2m c2β2γ2T δ(βγ) = Kz2 ln e max β2 . (27.3) − dx A β2 2 I2 − − 2 ! " # $ It describes the mean rate of energy loss in the region 0.1 < βγ < 1000 for 2 2 2 intermediate-Z materials with an accuracy of a∝ few 1/β %. ⋅ Atln (const the∼ ⋅ lowerβ γ∼) limit the projectile velocity becomes comparable to atomic electron “velocities” (Sec. 27.2.3), Marco Delmastro Experimental Particle Physics 4
February 2, 2010 15:55 4 27. Passage of particles through matter
+
] µ on Cu g / 2 100 −
m µ c Bethe-Bloch Radiative V
e Anderson- M -
[ Ziegler d
f f r r r e a a h w h d o Eµc c n p
10 i S
g Radiative L Radiative n i Minimum effects losses p
p ionization reach 1% o
t Nuclear
S losses Without δ 1 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 104 105 106 βγ
0.1 1 10 100 1 10 100 1 10 100 [MeV/c] [GeV/c] [TeV/c] Muon momentum Fig. 27.1: Stopping power (= dE/dx )forpositivemuonsincopperasa function of βγ = p/Mc over nine⟨− orders of⟩ magnitude in momentum (12 orders of magnitude in kinetic energy). Solid curves indicate the total stopping power. Data below the break at βγ 0.1aretakenfromICRU49[4], anddata at higher energies are from Ref.≈ 5. Vertical bands indicate boundaries between different approximations discussed in the text. The short dotted lines labeled “µ− ”illustratethe“Barkaseffect,” the dependence of stopping power on projectile charge at very low energies [6]. Bethe-Bloch Formula Bethe-Bloch27.2.2. Stopping formula power at intermediate for heavy energies particles:
The mean rate of energy loss by moderately relativistic[see e.g. charged PDG 2010] heavy particles, M1/δx,iswell-describedbythe“Bethe-Bloch”equation, dE Z 1 1 2m c2β2γ2T δ(βγ) = Kz2 ln e max β2 . (27.3) − dx A β2 2 I2 − − 2 ! " # $ [⋅ρ] It describes the mean rate of energy loss in the region 0.1 < βγ < 1000 for ∼ ∼ density intermediate-Z2 materials2 with an-1 accuracy2 of a few %. At the23 lower limit the K = 4π NA re me c = 0.307 MeV g cm NA = 6.022⋅10 projectile velocity becomes comparable to atomic electron “velocities” (Sec. 27.2.3), 2 2 2 2 [Avogardo's number] Tmax = 2mec β γ /(1 + 2γ me/M + (me/M) ) 2 2 [Max. energy transfer in single collision] re = e /4πε0 mec = 2.8 fm February 2, 2010 15:55[Classical electron radius]
me = 511 keV z : Charge of incident particle [Electron mass] M : Mass of incident particle β = v/c [Velocity] Z : Charge number of medium γ = (1-β2)-2 A : Atomic mass of medium [Lorentz factor] Validity: I : Mean excitation energy of medium .05 < βγ < 500 δ : Density correction [transv. extension of electric field] M > mμ
Marco Delmastro Experimental Particle Physics 5 Energy Loss of Pions in Cu Energy loss of pions in Cu
Minimum ionizing particles (MIP): βγ = 3-4
dE/dx falls ~ β-2; kinematic factor [precise dependence: ~ β-5/3]
2 dE/dx rises ~ ln (βγ) ; relativistic rise [rel. extension of transversal E-field]
Saturation at large (βγ) due to density effect (correction δ) [polarization of medium]
Units: MeV g-1 cm2 Abbildung 2.2: Energieverlust in Kupfer. Gezeigt wird der Einfluß der Schalenkor- βγ = 3 - 4 MIP looses ~ 13 MeV/cm rektur und der Dichteeffektkorrektur. Das Minimum des Energieverlustes[density of copper: liegt 8.94 bei g/cm3] 2 βγ 3...4.VordemMinimumverh¨alt sich dE/dx β− ,nachdemMinimum ≃ ∝ steigt dE/dx logarithmischMarco Delmastro an und kommt dann inExperimental den Particle S¨attigungsbereich Physics (Dichte- 6 effekt). Man beachte: Die auf der Ordinate angegebene Gr¨oße ist vielmehr 1 dE − ρ dx (nicht dE ). Quelle: Phys. Rev. D 54:S132, 1996. − dx
Der fehlende Faktor 2 in der trivialen“ Ableitung kann wie folgt verstanden werden: • ” Ein kleinerer Grenzwert von Emin vergr¨oßert den Anteil des Energieverlustes von Fernst¨oßen, sodaß der Energieverlust gem¨aß Bethe-Bloch erhalten wird. Verschiedene Formulierungen (Bohr, Bethe, Bloch) unterscheiden sich in der Parame- • trisierung der Fernst¨oße, d.h. des Energieverlustes, bei der die Bindung der Elektronen in den Atomhullen¨ nicht vernachl¨assigbar ist.
Mittlere Reichweite R(E)
Die mittlere Reichweite eines Teilchens berechnet man wie folgt: 0 1 R(E)= − dE, (2.20) !E dE/dx wobei der Energieverlust eine Funktion der Energie selbst ist. Der Hauptteil des Ionisati- dE 2 onsverlustes erfolgt bei kleinen Teilchengeschwindigkeiten ( β− )amEndederSpur dx ∝ Bragg Peak (siehe Abb. 2.3). Genutzt¨ wird die Tatsache, daß der Hauptteil des Energie- verlustes→ am Ende der Spur liegt, bei der Krebstherapie mit energetischen Kernen. Durch geeignete Wahl der Kerngeschwindigkeit (Protonen, leichte Kerne) kann die Energie gezielt und lokal abgegeben werden.
13 UnderstandingUnderstanding Bethe-BlochBethe-Bloch
1/β2-dependence: Remember:Slower particles fell electric force of dx atomic electronsp = Ffor dtlonger= timeF … ? ? ? v Z Z i.e. slower particles feel electric force of atomic electron for longer time ...
Relativistic rise for βγ > 4: High energy particle: transversal electric field increases due to Lorentz transform; Ey ➙Abbildung γEy. Thus 2.2: interactionEnergieverlust cross in Kupfer.section Gezeigtincreases wird ... der Einfluß der Schalenkor- rektur und der Dichteeffektkorrektur. Das Minimum des Energieverlustes liegt bei 2 βγ 3...4.VordemMinimumverh¨alt sich dE/dx β− ,nachdemMinimum fast≃ moving ∝ particle steigtparticledE/dx logarithmisch an und kommt dann in den S¨attigungsbereich (Dichte- at rest effekt). Man beachte: Die auf der Ordinate angegebene Große ist vielmehr 1 dE Corrections: ¨ ρ dx dE − (nicht dx ). Quelle: Phys. Rev. D 54:S132, 1996. −γ grossgrows low energy : shell corrections high energy : density corrections γ = 1 Der fehlende Faktor 2 in der trivialen“ Ableitung kann wie folgt verstanden werden: • ” Marco Delmastro EinExperimental kleinerer Particle Grenzwert Physics von Emin vergr¨oßert den Anteil des Energieverlustes7 von Fernst¨oßen, sodaß der Energieverlust gem¨aß Bethe-Bloch erhalten wird. Verschiedene Formulierungen (Bohr, Bethe, Bloch) unterscheiden sich in der Parame- • trisierung der Fernst¨oße, d.h. des Energieverlustes, bei der die Bindung der Elektronen in den Atomhullen¨ nicht vernachl¨assigbar ist.
Mittlere Reichweite R(E)
Die mittlere Reichweite eines Teilchens berechnet man wie folgt: 0 1 R(E)= − dE, (2.20) !E dE/dx wobei der Energieverlust eine Funktion der Energie selbst ist. Der Hauptteil des Ionisati- dE 2 onsverlustes erfolgt bei kleinen Teilchengeschwindigkeiten ( β− )amEndederSpur dx ∝ Bragg Peak (siehe Abb. 2.3). Genutzt¨ wird die Tatsache, daß der Hauptteil des Energie- verlustes→ am Ende der Spur liegt, bei der Krebstherapie mit energetischen Kernen. Durch geeignete Wahl der Kerngeschwindigkeit (Protonen, leichte Kerne) kann die Energie gezielt und lokal abgegeben werden.
13 UnderstandingUnderstanding Bethe-BlochBethe-Bloch
Density correction: Polarization effect ... [density dependent] ➙ Shielding of electrical field far from particle path; effectively cuts of the long range contribution ... More relevant at high γ ... [Increased range of electric field; larger bmax; ...] For high energies: ⇤/2 ln(~⌅/I)+ln ⇥ 1/2 ! Abbildung 2.2: Energieverlust in Kupfer. Gezeigt wird der Einfluß der Schalenkor- rektur und der Dichteeffektkorrektur.Density Daseffect Minimum leads to des Energieverlustes liegt bei 2 βγ 3...4.VordemMinimumverh¨alt sich dE/dx β− ,nachdemMinimum Shell correction: ≃ saturation at high energy∝ ... steigt dE/dx logarithmisch an und kommt dann in den S¨attigungsbereich (Dichte- Arises if particle velocity is closeeffekt). to orbital Man beachte: Die auf der Ordinate angegebene Gr¨oße ist vielmehr 1 dE − ρ dx velocity of electrons, i.e. βc ~ (nichtve. dE ). Quelle: Phys. Rev.Shell D 54:S132, correction 1996. are − dx in general small ... Assumption that electron is at rest breaks down ... Capture process is possible ... Der fehlende Faktor 2 in der trivialen“ Ableitung kann wie folgt verstanden werden: • ” Marco Delmastro EinExperimental kleinerer Particle Grenzwert Physics von Emin vergr¨oßert den Anteil des Energieverlustes8 von Fernst¨oßen, sodaß der Energieverlust gem¨aß Bethe-Bloch erhalten wird. Verschiedene Formulierungen (Bohr, Bethe, Bloch) unterscheiden sich in der Parame- • trisierung der Fernst¨oße, d.h. des Energieverlustes, bei der die Bindung der Elektronen in den Atomhullen¨ nicht vernachl¨assigbar ist.
Mittlere Reichweite R(E)
Die mittlere Reichweite eines Teilchens berechnet man wie folgt: 0 1 R(E)= − dE, (2.20) !E dE/dx wobei der Energieverlust eine Funktion der Energie selbst ist. Der Hauptteil des Ionisati- dE 2 onsverlustes erfolgt bei kleinen Teilchengeschwindigkeiten ( β− )amEndederSpur dx ∝ Bragg Peak (siehe Abb. 2.3). Genutzt¨ wird die Tatsache, daß der Hauptteil des Energie- verlustes→ am Ende der Spur liegt, bei der Krebstherapie mit energetischen Kernen. Durch geeignete Wahl der Kerngeschwindigkeit (Protonen, leichte Kerne) kann die Energie gezielt und lokal abgegeben werden.
13 EnergyEnergy loss Loss of of (heavy) Charged charged Particles particles 6 27. Passage of particles through matter
10 Dependence on 8 Mass A
) 6 2 H2 liquid
Charge Z m
c 5 1
of target nucleus − g
4 V
e He gas M
Minimum ionization: ( 3
x C d -2 / Al ca. 1 - 2 MeV/g cm E 2 Fe -2 d Sn [H2: 4 MeV/g cm ] − Pb
1 0.1 1.0 10 100 1000 10 000 βγ = p/Mc
0.1 1.0 10 100 1000 Muon momentum (GeV/c)
Marco Delmastro Experimental Particle Physics 9 0.1 1.0 10 100 1000 Pion momentum (GeV/c)
0.1 1.0 10 100 1000 10 000 Proton momentum (GeV/c) Figure 27.2: Mean energy loss rate in liquid (bubble chamber) hydrogen, gaseous helium, carbon, aluminum, iron, tin, and lead. Radiative effects, relevant for muons and pions, are not included. These become significant for muons in iron for βγ > 1000, and at lower momenta for muons in higher-Z absorbers. See Fig. 27.21.∼
as a function of βγ = p/Mc is shown for a variety of materials in Fig. 27.4. The mass scaling of dE/dx and range is valid for the electronic losses described by the Bethe-Bloch equation, but not for radiative losses, relevant only for muons and pions. For a particle with mass M and momentum Mβγc, Tmax is given by
2 2 2 2mec β γ Tmax = 2 . (27.4) 1+2γme/M +(me/M ) In older references [2,7] the “low-energy” approximation
February 2, 2010 15:55 IdentifyingdE/dx and particlesParticle Identification by dE/dx
180 Measured energy loss 140 [ALICE TPC, 2009]
100 TPC Signal [a.u.]
60 Bethe-Bloch
Remember: 20 dE/dx depends on β! 0.1 0.2 1 2 Momentum [GeV] Marco Delmastro Experimental Particle Physics 10 ALICE TPC
Marco Delmastro Experimental Particle Physics 11 die Plasmafrequenz, die die kollektiven Elektronenschwingungen in dem Me- dium beschreibt. Damit ergibt sich aus (2.36) fur das Einsetzen der Sattigung ¨ ¨ !"# des Energieverlust: 2ω βγ . (2.39) ≈ ωP
Wegen ωp √ne wird die S¨attigung bei dichteren Medien fruher¨ erreicht. ∼ Parameter der Bethe-Bloch-Formel fur¨ Mischungen und Verbindungen:
Fur¨ verschiedene Komponenten0121001210 i in einem Medium werden die dE/dx-Werte mit den Gewichtsanteilen wi gewichtet!"#$$%&'($#)*+(,"(-%&%-.-(%#&%/,"%#& summiert (dabei werden atomare Korrekturen vernachl¨assigt): 345(06678 dE dE = w (2.40) ρdx i ρ dx i i i ! " # Fur¨ Verbindungen ergibt sich der Gewichtsfaktor mit der Anzahl ai des Atoms i mit dem Atomgewicht Ai in der Verbindung:
aiAi wi = (2.41) j ajAj Fur¨ die Parameter in der BBF lassen$ sich fur¨ Mischungen und Verbindungen Effektivwerte berechnen:
Zeff = aiZi (2.42) i ! Aeff = aiAi (2.43) i !1 ln Ieff = aiZi ln Ii (2.44) Zeff $%&'(()*++,-.+/-&'/0'12'(3 i ,-.-/.0--1 1 ! δ = a Z δ (2.45) eff Z i i i eff i ! Ceff = aiCi (2.46) i ! 2.1.2 Statistische Fluktuationen der dE/dx-Verteilung 0121001210 9&*+':(;#//(<;.=".,"%#&/ Die Bethe-Bloch-FormeldE/dx gibt den Fluctuations mittleren Energieverlust pro Wegl¨ange dE/dx an. Tats¨achlich ist der EnergieverlustdE/dx fluctuations aber ein statistischer Prozess mit Fluktuationen: der Energieverlust ∆E auf!"#$%&'#(%)%*)+$,#-(./(01##2,#"+)#3%&,4$%(5 einer Wegstrecke ∆x setzt sich aus vielen kleinen Bei- $&)6%$##Bethe-Bloch .#2"#&)%$2&'#+7#)62*8"%,,# describes mean energy 09 loss; measurement via tr¨agen δEn,dieeinzelnenIonisations-oderAnregungsprozessen entsprechen, zusam- energy loss ΔE in !a material of thickness Δx with men: # # "#> "43;%$#+7#*+''2,2+", N " " ∆E = δE δN : number of collisions (2.47) n δE : energy loss in a single collision n=1 " :$+;&;2'2)<#(2,)$2;4)2+"#+7#,2"='%#%"%$=<#)$&",7%$,! ?&"(&4#@&2'9 $$# # Statistische Fluktuationen treten sowohl fur¨ die Anzahl N als auch fur¨ die jeweils # ! abgegebene Energie δE auf. Wenn die δE statistisch unabh¨angigIonization sind, loss δ giltE nach n distributedA%&,+"#7+$#(%B%"(%"*%9# statistically ... dem “zentralen Grenzwertsatz” der Statistik, dass ∆E fur¨ N 3+3%")43#)$&",7%$#normalverteilt →∞so-called *'&,,2*&''<9#*%")$&'2)<#+7#*+''2,2+"#C;D1EF ist, mit einer Varianz, die N mal die Varianz der EinzelprozesseEnergy ist. loss 'straggling' rel. probability Ionization by close collisions 2&'3*45%4$674%8868*7'9%#: production of δ-electrons Complicated *problem ... " " % $() #! 14 Thin absorbers:*+ ! Landau distribution ! +% ! ! + + !'& #%"! Standard Gauss with mean energy loss E0 ! + tail towards high* energies* *+ due to δ-electrons! " " !'& ! % $() # ! ! ! *#%"! *+ *#%"! #%"! %'& Below excitation threshold Excitations Ionization by distant collisions ! $() #! " see! also! Allison & Cobb energy transfer δE [Ann. Rev.' &Nucl.