Quantum Diaries

Studies of New Physics require several independent approaches. In the language of experimental physics it means several different experiments. Better yet, several accelerators that have detectors that study similar things, but produce results with different systematic and statistical uncertainties. For a number of years that was how things were: physicists searched for New Physics in high-energy experiments where new particles could be produced directly (think Tevatron or LHC experiments), or low-energy, extremely clean measurements that explored quantum effects of heavy new physics particles. In other words, New Physics could also be searched for indirectly.

As a prominent example of the later approach, detectors BaBar at SLAC (USA) and Belle at KEK (Japan) studied decays of copiously produced B-mesons in hopes to find glimpses of New Physics in quantum loops. These experiments measured many Standard Model-related parameters (in particular, confirming the mechanism of CP-violation in the Standard Model) and discovered many unexpected effects (like new mesons containing charmed quarks, as well as oscillations of charm mesons). But they did not see any effects that could not be explained by the Standard Model. A way to go in this case was to significantly increase luminosity of the machine, thereby allowing for very rare processes to be observed. Two super-flavor factories (those machines are really like factories, churning out millions of B-mesons) were proposed, the Belle-II experiment at KEK and a new Super-B factory at the newly-created Cabibbo Lab in Frascatti, Italy. I have already written about the Cabibbo Lab.

It appears, however, that Italian government decided today that it cannot fund the Super-B flavor factory. Tommaso Dorigo reported it in his blog this morning. Here is more hard data: there is a press release (in Italian) from the INFN that basically tells you that “economic conditions… were incompatible with the costs of the project evaluated.” Which is another way of saying that Italian government is not going to fund it. This follows by the news from the PhysicsWorld saying the same thing.

Many physicists have been expressing doubts that the original Super-B plan, which was, in my opinion, very bold, could be executed within the proposed time frame.  Yet, physicists pressed on… that is until this morning’s announcement. Reality of our world sets in — there is not enough money for basic research…
So what’s left? There is still, of course, Belle-II. Moreover, excellent performance of LHCb experiment at CERN (I wrote about that here) leaves us with great hopes. That is, if Nature cooperates…

Portuguese text below….

So, in the last two (first and second) posts about how a calorimeter works, I explained how a particle enters in such detectors, loose its energy producing a shower of other particles and finally how this shower provokes the generation of an electrical signal thanks to the “sampling material”. One detail that is important not to forget is that we have a large number of electrodes (hence, calorimeter “cells” – around 187 thousand of them) collecting information on energy deposition in the calorimeter. A good electron shower can be composed of as many as a few hundred cells. For sure it is very important to measure the signal in every cell for every collision event that happens in ATLAS and that is not exactly something very easy to do. Let’s understand how this is done.

First, I propose to watch the left 12 secs video below. It is an extract of the previous videos on how a particle makes the shower inside the ATLAS Liquid Argon Calorimeter, but now really focusing in the two important parts necessary to understand the format of the output electric signal. First, you see a particle crossing the lead absorber and producing 3 particles. We follow one of these while it crosses the 2 mm space between the absorber (dark gray bar) and the copper electrode (copper-colored?!), this one with a very positive Voltage (~2000V). This space we call “the gap”. Well, despite the “slowliness” implied by the movie, this particle is very close to the speed of light. This means, that the time to cross the gap is less than 0.01 nanoseconds (that’s 0. followed by 10 zeros before the “1” appears – compare with the 25 ns of the collisions time). Even if the particle were at 10% the speed of light, that’s still around 0.1 ns, immediate in terms of LHC collisions interval. This phase is called ionization or, Charge Deposition. The electron created all the negative electrons and positive argon ions and disappeared, going to the next cell.

The second part of the signal is the drift of the electrons freed from the argon atoms towards the electrodes. In the last scene of the movie, you will see three long white trails with the electrons drifting from the absorber until the electrode. If you were in the top of a relatively tall building letting some water leak to the floor and, all of a sudden, you cut the flow, people looking at the column of water would still see the top of the water column falling for a few seconds. That’s exactly the same thing, except that instead of water flow we have electrons flow and in the place of gravity we have the electric pull of the electrons by the positive electrode. During sometime (~400 ns), the electrons will be drifting to the electrode and as time goes by you will have less electrons (again, this movie is part of ATLAS episode II – see here the complete part 1 and part 2 of this movie in English!).

Now, let’s see the signal shape. This is in the second movie. First, you got basically no signal (that never exists in electronics – I should say : you got only noise!). Then, the fast electron crosses almost immediately the gap and you get the highest possible signal. The higher the initial electron energy, the higher the number of electrons freed from the argon atoms and the higher is this initial current. So, all we care for measurement purposes would be this initial current peak. The rest of the time the current gets dimmer and dimmer until we got only noise again. When the time scale on the movie changes, you are just seeing the drift moment. Now, in reality you never see this triangle. All you see is the single measurement value and you have to take a decision about when to “catch” the pulse value. Trying to catch too many tens of samples represents an extra load to the electronics usually hitting a power heating or a data amount limitation and you have to be able to sample as least as possible.

The whole thing happens very quickly, so, you have to use some electronic device to find a better way to work this out. Let’s consider the 3 pictures below. The value is the one marked with a star. In the first picture it is obvious that the shot was taken too soon, our artist was not even in the studio. This means we lost the signal (energy measured = noise!). The second picture is the perfect sampling of the signal at the curve peak. If we always could do like that, this would be perfect. However, most of the time, you would be getting the signal after the peak was reached (third picture) and the energy of the cell would be underestimated. This is very bad.

Sampling of the calorimeter signal performed too early	Sampling of a calorimeter pulse taken at the best timing (pulse peak)
Sampling of a calorimeter signal taken too late

So, instead of trying to sample the direct signal and certainly making a mistake, we use an electronic circuit that re-shapes the signal. This circuit stretches the fast rising part so that, in the end, the peak value information is distributed over a much longer time spam (something like 125 ns). The shaped pulse is shown in the figure below together with the original pulse. Now, multiple samples (5) at regular time intervals of this structure are acquired by an analogue-to-digital converter circuit which produces digital numbers related to the pulse value at the sampling moment (marked by dots in the shaped pulse). Using these numbers, it is possible to make a best guess (or what one like to call technically a “fit”) of what the shaped pulse really is, including its height, even if the signal is shifted of 1 or 2 ns. And from that, we can calculate the energy in the cell.

LAr Pulse its shaped version and the samples

Due to the very long pulse (400 ns) and the very short interval between collisions (25 ns), it is not impossible (rather, highly probable) that a given cell will receive the signal from one collision while the signal from a previous collision is still in the drifting phase. This effect is called pileUp, and we will discuss it in a much later post.

The discussion today involved complex topics in engineering and physics applied to the detector signal. Design of a good stable and cheap shaping filter, sampling the signal at a cost and power effective rate, dealing with pile Up and performing energy calculation are quite general topics and many different detectors use similar techniques. Many of these topics are whole areas of study, specially in engineering. The signals produced by a detector are usually very fast or very slow and the shaping helps to extract their meaningful properties. For instance, for the Tile Calorimeter discussed in the previous post, the whole pulse is very short (a few ns) and you have to completely stretch it, while maintaining the area produced by the original signal (proportional to the light captured).

Now we will stop the section on how a calorimeter works and we will start another one on how the trigger works to select good collisions for Higgs (??) candidates!

Portuguese part :

Nos últimos dois (primeiro e segundo) posts sobre o funcionamento de um calorímetro, expliquei como uma partícula entra em tais detectores, perde sua energia produzindo uma cascata de outras partículas e, finalmente, como essa partícula provoca a geração de um sinal elétrico graças ao material de amostragem. Um detalhe importante é que o enorme número de eletrodos (ou seja, “células” do calorímetro – cerca de 187 mil) coletam a deposição de energia em todo o calorímetro. Uma cascata razoável de elétrons pode ser composta de algumas centenas destas células. Obviamente é muito importante medir o sinal em todas as células para cada evento de colisão que acontece no ATLAS e essa não é uma tarefa tão simples. Vamos entender como isto é feito.

Primeiramente, podemos ver um filme de 12 segundos no quadro abaixo à esquerda. É um pequeno extrato de um dos vídeos que discutimos anteriormente mostrando uma partícula produzindo a cascada no calorímetro de Argônio Líquido do ATLAS, mas agora focando na geração do sinal elétrico. Primeiro, pode-se ver uma partícula cruzando o absorvedor de chumbo e se produzindo 3 partículas. Seguimos uma destas enquanto ela cruza o pequeno espaço de 2 mm entre o absorvedor (barra cinza escura) e o eletrodo de cobre (na cor do cobre, obviamente! 😉 ) que mantém uma Voltagem alta positiva (~2000V). Apesar da lentidão que o vídeo parece implicar, o elétron está praticamente a velocidade da luz, e isso significa que ele cruza o pequeno intervalo em menos de 0.01 nanosegundo (Ou seja, um “0.” seguido de dez zeros antes de aparecer o “1” – compare com o tempo entre colisões no LHC – 25 ns). Mesmo que fosse um elétron lento (10% da velocidade da luz), ainda teríamos 0.1 ns. Essa fase é chamada de ionização ou Deposição de Carga. O elétron criou todas as cargas negativas e íons positivos dos átomos de Argônio e desapareceu indo para a próxima célula.

A segunda parte do sinal é a tração dos elétrons liberados dos átomos de argônio na direção dos eletrodos. Na última cena do filme, podemos ver os três longos traços brancos relativos aos elétrons atraídos desde o absorvedor até o eletrodo. Se você estivesse no alto de um prédio relativamente alto e observando um vazamento de água até o solo e, de repente, você cortasse o fluxo de água, pessoas observando a coluna de líquido veriam o topo desta coluna demorando alguns segundos até chegar no solo. O efeito é o mesmo para os elétrons, exceto que temos elétrons em vez de água e em vez da força da gravidade temos a atração elétrica do eletrodo positivo!! Durante um certo intervalo de tempo (cerca de 400 ns), os elétrons estarão se dirigindo para o eletrodo e cada vez teremos menos elétrons (Uma vez mais, este filme é parte do Episódio II do ATLAS – veja o filme completo parte 1 e parte 2 deste filme em Inglês).

Agora, vejamos o formato do sinal. Este se encontra no segundo filme. Primeiramente não temos nenhum sinal (isso não existe em eletrônica – eu deveria dizer que só temos ruído!). Então, o elétron rápido cruza praticamente de forma imediata o intervalo e o sinal atinge o seu máximo. Quanto maior a energia do elétron inicial, maior o número de elétrons liberados dos átomos de Argônio e maior é este pico de corrente. Dessa forma, o único valor importante para se realizar a medida da energia é o valor do pico inicial. No resto do tempo, a corrente vai diminuindo lentamente até atingirmos o valor de ruído de novo. Quando a escala de tempo do filme muda, já estamos na parte de tração dos elétrons. Na realidade, o triângulo que se forma no filme não pode realmente ser visto. Tudo o que se vê é o valor a ser medido e temos que tomar a melhor decisão sobre quando realizar a medida. Realizar a medida muitas dezenas de vezes seria o melhor, mas, infelizmente, há um aumento de custo, consumo e dados produzidos, tornando a eletrônica impossível de ser construída. Isso nos leva a tentar capturar o mínimo possível de amostras.

Como a coisa toda acontece muito rapidamente, você tem que usar alguma eletrônica para encontrar uma melhor forma de resolver este problema. Considere as três figuras abaixo. O valor obtido é marcado com uma estrela. No primeiro desenho está claro que a “foto” foi tirada muito cedo, tendo o artista ainda nem entrado na sala. Isso significa que perdemos o sinal (energia medida = nível de ruído!!). No segundo desenho vemos a amostragem perfeita, exatamente no pico. Entretanto, na maior parte das vezes, só conseguimos medir o sinal depois que o pico foi atingido (terceira figura) e a energia da célula fica sub-estimada. Obviamente, isso não é muito bom.

Colhendo a amostra do sinal do Calorímetro muito cedo	Colhendo a amostra do sinal do Calorímetro no momento certo (pico de sinal)
Colhendo a amostra do sinal do Calorímetro muito tarde

Para se resolver esse problema, em vez de tentar medir amostras do sinal direto e, quase sempre fazer uma medida errada, usamos um circuito eletrônico que modifica a forma do sinal. Este circuito estica a parte relativa à subida rápida do pulso, “espalhando” a informação num período de tempo bem mais longo (cerca de 125ns). O pulso assim reformatado aparece na figura abaixo junto com o pulso original. Agora, diferentes amostras (5) a intervalos regulares desta estrutura podem ser adquiridas por um circuito que faz a conversão analógico pra digital, produzindo números relativos ao valor do pulso a cada amostra (marcados como pontos no sinal reformatado). Usando estes números, é possível se obter uma “melhor estimativa” (tecnicamente chamada de um “fit”) do que o pulso formato realmente é, incluindo o seu pico, mesmo que o sinal esteja ligeiramente deslocado de 1 ou 2 ns. A partir dessa informação, podemos calcular a energia da célula.

O Pulso do Calorímetro, seu sinal reformatado e suas amostras

Como o pulso físico é muito longo (400 ns) e o intervalo entre colisões é bastante curto (25 ns), não é impossível (e na verdade é muito provável) que uma certa célula receba o sinal de uma colisão enquanto o sinal da colisão anterior ainda esta na fase de atração dos elétrons. Este efeito é chamado de empilhamento (PileUp) e discutiremos ele num post futuro.

A discussão de hoje envolveu tópicos complexos em engenharia e física aplicadas ao sinal do detector. O design de um filtro de formatação do sinal estável e barato, amostragem do sinal de forma eficiente em termos de custo e potência utilizada, lidar com o efeito de empilhamento e executar rapidamente o cálculo de energia são tópicos muito gerais e técnicas similares são utilizadas em diferentes detectores. Muitos destes tópicos são áreas inteiras de estudo, especialmente em engenharia. Os sinais produzidos pelos detectores são, normalmente, muito rápidos ou muito lentos e a reformatação ajuda muito a extrair as propriedades realmente importantes. Por exemplo, o Calorímetro de Telhas que discutimos no post anterior tem um sinal rápido demais e a reformatação estica o mesmo enquanto mantém a área sob a curva que é proporcional à energia (proporcional à luz capturada!).

Agora nós vamos fazer uma pausa na seção sobre o funcionamento do calorímetro e vamos começar a discutir o funcionamento do sistema de seleção chamado de Trigger. Este sistema foi responsável por escolher os bons eventos candidatos a Higgs!

Aproveito pra re-anunciar o canal ATLAS/Brasil, agora com uma página melhorada e com mais 9 vídeos :
http://atlas-live-public.web.cern.ch/atlas-live-public/brazil/index.html

Portuguese version below…

So, I am finally back from vacation, with the email list almost cleaned up and a list of tasks ready to start piling up before I can do anything.. In a nutshell : the usual working life. The last time I posted something, the idea was to explain how a particle, like an electron, a photon or a neutron enters in the detector called calorimeter, hits the material named the absorber and gets a part of its original energy (speed!) converted into a little shower of particles. Part of this energy however gets sampled by a material called (see how physicists can be very creative sometimes) the sampling material. So, what happens in the sampling material of the two ATLAS calorimeters and how we can use this information to “measure” the final energy of the incoming particle?

The sampling material uses some basic physics process to convert the energy it receives into some other physical quantity. The smart thing physicists try to do is to make this “other physical quantity” something easy to measure. Let’s start with a very simple example. In your home, you probably still have either in your wall or in your medical box an old style thermometer. I mean, not a digital one. It is built with a small scale and a little pipe containing either artificially colored alcohol (the wall thermometer) or mercury (the medical box one). When it receives heat from air or a person’s body, the atoms of such “sampling” materials get very agitated. Due to that, the same number of molecules now occupy a much larger space, increasing the necessary volume to contain them. This translates into a longer column which we can easily readout.

In here, we can identify all the elements of the sampling process. First, the heat modifies some inner property of the sampling material considered (their internal heat or movement of the material). Then, the material responds with some global change in a larger scale (its volume increases) and, in consequence, you can now measure with light and some light receiver (your eyes) the shift in the top position of the alcohol or mercury column.

Now, let’s see the case of the liquid argon (electromagnetic calorimeter) of ATLAS. You might want to review the discussion about the absorption process on the previous post. Again, to illustrate, let’s see an extract of the ATLAS Episode II movie, that you can see completely in youtube (part 1 and part 2). There, we followed an electron as it enters the electromagnetic calorimeter and looses its energy by producing a huge shower of particles thanks to the lead absorbers. When the electron is not in the absorber material, it is walking through argon cooled to -185 ^oC in order to be kept liquid. The electron, or the particles that come out of it, crosses many atoms of Argon, giving so much energy to the argon electrons, that many of of them get free from the argon nuclei in a process called ionization (see the white little dots in the movie!). The argon electron is now a little negative free charge and the rest of the atom is a positive free charge (yellow). Remember that between one accordion plate and the next one, there are copper plates, the electrodes. Between the electrodes, there is a very high voltage (2000V – almost 10 times the voltage in an electric wall plug in an European home). Such high voltage in a very small gap (~2mm) and a bunch of free electrons is a shocking combination, a bit like throwing a small wire on an electric fence. Usually, the high voltage would not cause electrons to travel from one plate to the other, but now that they were freed by the particle’s energy, they will be collected by the positive electrode, generating an electric current. The intensity of this current relates to the energy that the particle lost in the region around the electrode (this region, we call a cell). The current sparks quite quickly (around 400 ns – you will later see that this is actually not as quick as we would love to!) and this is the “other physical quantity” that we can measure. Using this information, we can calculate back the energy of the original particle that entered the calorimeter.

Those interested in seeing a nice, live example of the ionization process are invited to check how to build a cosmic ray detector (sorry for the “idiot”!) and a little video I recorded during a conference (CHEP2010) of a little device called Cloud Chamber (no relation to Harry Potter!).

I would also like to show an example of a particle entering the hadronic calorimeter of ATLAS called Tile Calorimeter. We will use another extract of the ATLAS Episode II Movie to see it. In this video, we start by seeing the iron absorbers (gray) and the plastic scintillating plates (the “Tiles”, drawn in Violet). The absorption part is very similar to the Liquid Argon calorimeter (particle hits, particle looses energy, shower forms) with the difference that particles hit the nuclei and NOT the atoms as in the EM calorimeter case. The sampling material is an special plastic. The particles passing inside this plastic excite the electrons of the atoms that compose it. Not enough to ionize it as in the argon (the electron stays attached to the nucleus but a bit farther away than its usual “orbit”). When the electron return to its natural position, the energy is released back in the form of photons, or, to simplify, light of a very specific frequency (or a specific color, coincidence : Violet). Some of these photons will be collected by an optical fiber and send to a special device that converts light into an electrical signal, a photomultiplier (some of you may have played with that if your school ever had a project to build cosmic ray detectors!). See a photo of Cíbran Santamarina Rios, a colleague from Galicia beside a plastic scintillator detector (the photomultiplier I hope I am saying this right, is in the bottom of the plastic plate – protected by a black cover!).

Photo with Ph.D Cibran Santamarina Rios assembling a cosmic rays detector

In the next post, I will discuss a bit the outcome of the sampling process : the electrical signal and how it can be used to calculate the energy of a particle, specially when multiple particles hit the calorimeter in different collisions. This concludes our session on “How the detector works”. Then, we will discuss how the trigger works to select particles for a discovery!!!!

Portuguese version :

Finalmente de volta das férias, com uma lista de emails quase limpa e uma lista de tarefas começando a crescer antes que eu possa tentar fazer algo… Em resumo, uma semana normal de trabalho. Na última vez que postei algo, a idéia era explicar como uma partícula tal como um elétron, um fóton ou um nêutron entra num detetor chamado de calorímetro, bate num material denominado absorvedor e perde parte de sua energia, que estava acumulada na forma de velocidade, na forma de uma cascata de partículas. Parte dessa energia, entretanto, sensibiliza um material chamado “material de amostragem” (o termo vem de amostra, parte de um todo que o representa). Assim sendo, como podemos usar o material de amostragem no caso dos dois calorímetros do ATLAS para medir a energia das partículas que entram nestes detetores?

O material de amostragem usa alguns princípios básicos de física para converter a energia que recebe em algum outro valor com significado físico. A esperteza está em tentar fazer esse “outro valor” ser algo fácil de medir. Comecemos com um exemplo bem simples. Em sua casa, Vocês ainda devem ter em sua parede ou na caixinha de remédios um termômetro antigo (não digital). Esse termômetro é constituído de uma pequena escala com as temperaturas e um tubinho contendo álcool colorido (termômetro de parede) ou mercúrio (o da caixinha de remédios). Quando o termômetro recebe calor do ar ou do corpo de uma pessoa, os átomos desse material de “amostragem” ficam muito agitados. Desta forma, um dado número de moléculas passa a ocupar um volume bem maior. Isso se traduz numa coluna mais longa que pode ser facilmente lida.

Neste exemplo, podemos identificar todos os elementos do processo de amostragem. Primeiro, o calor modifica uma propriedade interna do material de amostragem (o seu “calor interno” ou o movimento de seus átomos). Depois, o material responde com uma mudança global numa escala mais larga (seu volume cresce) e, em conseqüência, pode-se medir com luz e um receptor de luz (os olhos do observador) a variação da posição do topo da coluna de mercúrio ou álcool.

Agora vejamos o caso do Argônio líquido usado no calorímetro eletromagnético do ATLAS. Talvez valha a pena rever a discussão sobre o processo de absorção no último post. De novo, para ilustrar, vejamos um exemplo do filme Episódio II do ATLAS, que pode ser visto na íntegra no youtube (parte 1 e parte 2). Naquele exemplo, seguimos um elétron que entra no calorímetro eletromagnético e perde sua energia se transformando numa enorme cascata de partícula graças aos absorvedores de chumbo. Quando o elétron não está no material absorvedor, ele está atravessando o Argônio refrigerado a -185 ^oC para se manter líquido. O elétron, ou as partículas produzidas por ele, atravessam muitos átomos de Argônio, dando tanta energia aos elétrons destes átomos que muitos deles se liberam de seus núcleos atômicos num processo chamado de ionização (veja os pontos brancos no filme!). O elétron do Argônio é agora uma carga elétrica negativa livre e o resto do átomo uma carga positiva (em amarelo). Lembre-se que entre uma placa do acordeão e a próxima, existem placas de cobre chamadas de eletrodos e que entre estes eletrodos há uma altíssima voltagem (2000 V – quase 10 vezes a voltagem de uma tomada na Europa). Essa voltagem aplicada entre placas tão próximas umas das outras (cerca de 2mm de distância) com um grupo de elétrons livres no meio é uma combinação “chocante”! O que acontece não é muito diferente do que se vê quando um pequeno fio de metal é jogado numa cerca eletrificada. Usualmente, a alta voltagem não causa o “passeio” de elétrons, mas quando eles são libertados pela energia da partícula, eles podem ser coletados pelo eletrodo positivo gerando uma corrente elétrica. A intensidade da corrente se relaciona com a energia que a partícula perdeu na região vizinha ao eletrodo, que chamamos de célula. A corrente cria uma centelha que desaparece rapidamente (cerca de 400ns – mais tarde veremos que esse tempo não é tão curto quanto gostaríamos!) e esse é o “outro valor” com significado físico que podemos medir. Usando essa informação, podemos calcular a energia da partícula inicial que entrou no calorímetro.

Aqueles interessados num exemplo vivo sobre o processo de ionização são convidados a ver como construir um detetor de raios cósmicos e um pequeno vídeo que gravei durante uma conferência (CHEP2010) de uma câmera de núvens.

Eu também queria mostrar um exemplo de uma partícula entrando no calorímetro hadrônico do ATLAS, chamado de calorímetro de Telhas (Tile Calorimeter). Vamos usar outro pequeno filme Episódio II para entender o que acontece. Nesse vídeo, vemos os absorvedores de ferro (cinza) e as placas cintiladoras (as “Telhas”, desenhadas em Violeta). A parte referente à absorção é muito parecida com o que vimos para o calorímetro eletromagnético (partícula bate, partícula perde energia, cascata de partículas se forma) com a diferença que as partículas agora batem nos núcleos dos átomos e não os átomos em si como no calorímetro de Argônio. O material de amostragem, neste caso, é um plástico especial. As partículas passando dentro deste plástico perturbam os elétrons que compõe o mesmo. Não o suficiente para ionizá-lo como acontece com o Argônio : o elétron continua ligado ao núcleo mas fica um pouco mais distante que sua “órbita” usual. Quando o elétron volta a sua posição natural, a energia é devolvida na forma de fótons, ou, para simplificar, luz de uma freqüência específica (de cor, coincidência : Violeta!). Alguns destes fótons são coletados por um sistema de fibras óticas e enviados para um aparelho especial que converte luz em sinal elétrico, uma fotomultiplicadora (alguns de vocês podem ter brincado com tal aparelho se sua escola tentou realizar um projeto para construção de detetores de raios cósmicos!). Veja uma foto de Cíbran Santamarina Rios, um amigo da Galicia ao lado de um detetor plástico cintilador (a fotomultiplicadora aparece embaixo da placa cintiladora protegida por um protetor negro).

Foto do Ph.D Cibran Santamarina Rios montando um detetor de raios cósmicos

No próximo post, pretendo discutir um pouco o resultado do processo de amostragem : o sinal elétrico produzido e que pode ser usado para se calcular a energia da partícula, especialmente quando a partícula atinge o calorímetro em diferentes colisões. Assim, vamos concluir a seção sobre “como funciona um detetor de partículas”. Depois, discutiremos como funciona o sistema de seleção de eventos, tão importante para as descobertas!

Ah! E quase tinha esquecido. O canal ATLAS/Brasil agora tem uma nova pagina e formatação :
http://atlas-live-public.web.cern.ch/atlas-live-public/brazil/index.html

Portuguese version below…

In my last posting I tried to give a very general view of what happens when protons knock each other inside the LHC beam pipe. Many of the heavy particles produced, like the Z boson, don’t survive long enough to reach any detector. Some of the very light ones, like an electron, a muon or a photon actually travel through lots of material and leave some “detectable” traces. So, as detectives, we collect this information with our gigantic detectors and play around to find everything we can about as many collision events as possible. And yes, you may have just caught what I wrote there : a photon (a particle of light) can pass, in such extreme conditions, a great amount of material. That is very true and happens in every collision of the LHC!

So.. What do we do with these traces? We use different detectors which are specialized in the different kinds of particles that can show up. Today I will talk about the detectors with which I worked all my professional life : Calorimeters.. If you look for calorimeter in the Wikipedia, you will find that “Calor” is the latin for “heat”. These are detectors that can measure heat or, in the case of high energy physics, particle’s energy! Well, there is also an entry about Calorimeter in particle physics in the Wikipedia, which, by the way, may need some improvement!

In a nutshell, one can think of the particle physics calorimeter inner working as not being very different from the “regular” calorimeter. Particles with very high energies enter, loose their energy and somehow “warm up” some material and a form of thermometer. In the particle physics calorimeter, the incoming particle hits atoms or atoms nucleus of a material which is named the absorber. It does not warm (too much!) that material, but it rather suffers reactions similar to the ones of the protons in the beam. The energy of the particle hitting the absorber will be converted in multiple particles inside the absorber which will carry a fraction of the initial particle energy. This forms a shower of particles in the detector structure. Usually interleaved with the absorbers, another material, the sampling material (the thermometer!) converts a very small fraction of the shower energy in some measurable quantity (light, electric current, etc). If you can estimate precisely which fraction of the energy is lost (so, not measured!) in the absorbers and which fraction stimulates the sampling material (so, IS measured!), we can figure out the total energy of the original particle! Maybe here, a very curious person would ask why we don’t make a calorimeter only with sampling material. A very simple quick answer is that the amount of sampling material to completely contain the shower and measure a very high energy particle would make a very very big calorimeter (many tens of meters). So, we have to use the absorbers!

See a shower forming as an electron invades the structure of the ATLAS Electromagnetic Calorimeter in this video. The sound is in English and the subtitles in portuguese. This video is an extract of the “ATLAS – Episode II”, the complete version being fully available at youtube (part 1 and part 2). In this case, the absorbers are lead plates organized in a funny accordion shape which convert the energy of the original particle into multiple ones with smaller energy (see the real lead plates here). The sampling material (that initially amazed me a lot) is liquid argon (at -185^oC!!). Because of that, the whole calorimeter is installed in a gigantic vessel (see a photo!). We will talk about the sampling process later. The calorimeter is divided into cells formed by the electrodes in the video which collect the energy in a their vicinity. Very detailed algorithms pick up which cells were activated by the shower and calculate the shower energy and geometry.

There is another very interesting fact that happens thanks to the absorbers. Imagine that you are a very high speed photon or electron heading to a wall of lead. Since you are an electron or photon you “see” to other electrons thanks to the electromagnetic force, including the electrons from the lead. I find easier to understand if you imagine a wall filled with plastic bubbles (with 100 m diameter) which are the lead atoms. You (the electron) will certainly very quickly hit one ball and loose your speed and energy. Now, suppose that you are a hadronic particle (like a proton or a neutron), you see very little the bubbles. Actually, a hadronic particle interacts mostly over the strong force, so, mostly with the atoms nucleus. If the electron-sphere were 100 m, the nuclei is only a millimeter, so, very, very tiny and with lots of space between then (at least 100 m!). This way, the plastic bubbles disappear and you can now cross a much larger amount of material without finding anything to stop you. So, the shower will start much deeper in the detector, depending on whether you are an electron or a neutron or proton. This way, the calorimeter can cope with two tasks at the same time : They give you a measurement of the particle’s energy AND allow you to perform particle identification. Both tasks make these devices very attractive and quite often found in High Energy Physics. Recently, a calorimeter of lead/scintillator fibers was sent to space in the AMS detector!

To illustrate, I picked up two events in the ATLAS Calorimeter. In one, a di-photon, you see that the photons leave two small yellow bands in the green section (EM calorimeter) but never touch the red section (the hadronic calorimeter). In the second picture, of an event with two jets, we see that these, being hadronic like protons or neutrons, cross the full EM calorimeter up to the hadronic one. So, hadronic particles go deeper in the detector as discussed above.

Di-photon event in ATLAS

Di-Jet event in ATLAS

Hope you had enjoyed this view of a calorimeter. Next week, I will take a little pause as it is vacation time! But on the next one, I will discuss how to go from the sampling material to an electric pulse in both main ATLAS calorimeters (Lar and Tile, as they are called!!).

Portuguese version :

No meu último post, eu tentei dar uma visão bem geral do que acontece quantos os prótons se encontram dentro do feixe do LHC. Muitas das partículas produzidas, por exemplo, um bóson Z, não sobrevivem um tempo suficiente para atingir os detetores. Algumas das partículas mais leves tais como um elétron, um múon ou um fóton, conseguem atravessar uma grande quantidade de material e deixar
alguns traços “detectáveis”. Assim, como detetives chegando na cena do crime, podemos coletar estas informações com nossos imensos detetores e tentar descobrir todos os detalhes possíveis num enorme número de colisões! E, sim, você talvez tenha percebido algo interessante que eu escrevi acima : um fóton (partícula de luz) pode atravessar, nessas condições extremas, uma grande quantidade de material. Isso acontece em todas as colisões do LHC!

Assim sendo, o que fazemos com tais traços? Usamos diferentes detetores especializados nos diferentes tipos de partículas que possam vir a aparecer. Hoje, eu vou comentar sobre o detetor com o qual eu trabalhei por toda minha vida profissional : O Calorímetro. Se você procurar a palavra “calorímetro” na Wikipedia, você verá que estes são equipamentos que medem calor, ou, no caso da física de altas energias, a energia das partículas! Em inglês, existe também um verbete pra calorímetros da física de partícula na Wikipedia, embora, ele pareça carecer de detalhes.

Resumindo, podemos pensar no funcionamento do calorímetro da física de partículas de forma similar ao “calorímetro” regular. As partículas com muita energia entram, perdem sua energia e de alguma forma “esquentam” o material e um termômetro. No caso da física de partículas, as partículas entram num material chamado de absorvedor^*, se chocando contra seus átomos ou os núcleos de seus átomos. Na realidade o material não esquenta (muito! Um pouco pode esquentar!), mas a partícula original sofre o mesmo tipo de reação que os prótons do feixe, ou seja, a partícula vai bater nos átomos do absorvedor e perder sua energia na forma de outras partículas com uma menor energia. Dessa forma, uma cascata de partículas se forma na estrutura do detetor. Normalmente, misturado com o material absorvedor, outro material, chamado de material de amostragem (o termômetro!) converte uma pequena fração da energia da cascata em algo mensurável, tal como luz ou corrente elétrica. Se for possível calcular a proporção entre a energia perdida (ou seja, não medida porque se perdeu no absovedor) e a energia que estimula o material de amostragem (logo, que é medida de verdade!), podemos calcular a energia total da partícula! Uma pessoa mais curiosa pode perguntar porque não fazemos o calorímetro inteiro com o material de amostragem. A resposta mais rápida e simples é que o calorímetro iria precisar de muito material pra conter a cascata e medir a energia de uma partícula. Assim sendo, o calorímetro ficaria gigantesco (dezenas de metros). Por isso, usamos os absorvedores.

Veja como uma cascata se forma quando um elétron invade a estrutura do Calorímetro Eletromagnético do ATLAS nesse vídeo. O som é em inglês com subtítulos em português. Este vídeo foi extraído do filme “ATLAS – Episódio II”, cuja versão completa está disponível em inglês no youtube (parte 1 and parte 2) ou com subtítulos em português no nosso canal ATLAS / Brasil . Neste caso, os absovedores são placas de chumbo organizadas no formato de acordeão que converte a energia da partícula original em várias outras de menor energia (veja as placas de chumbo aqui). O material de amostragem nesse caso (e isso sempre me impressionou muito) é o Argônio Líquido (a -185^oC). Por isso o calorímetro está instalado numa vasilha gigantesca (veja essa foto). Falaremos mais sobre a amostragem no próximo post. O calorímetro é dividido em células formadas pelos eletrodos que aparecem no vídeo que coletam a energia numa certa vizinhança das células. Algoritmos especiais conseguem descobrir quais células foram ativadas pela cascata e qual sua energia. Dessa forma, podemos saber a energia e o formato da cascata.

Há um outro fato muito interessante sobre os absorvedores. Imagine que você é um elétron ou fóton atravessando o espaço a uma velocidade altíssima. Como você é um elétron ou um fóton, você vê outros elétrons graças a força eletromagnética, incluindo os elétrons das placas de chumbo. Eu creio ser mais fácil de entender se você imaginar uma parede de bolhas de plástico com 100 m de diâmetro que representam os átomos de chumbo na parede. Você (o elétron) certamente vai bater numa dessas bolhas e perder sua velocidade e energia. Agora suponha que você é uma partícula hadrônica (como um próton ou nêutron). Você vê muito pouco as bolhas. Uma partícula hadrônica, na verdade, interage na maior parte das vezes através da força nuclear forte, ou seja, só com os núcleos dos átomos.  Se as elétron-esferas, fossem de 100 m, os núcleos teriam apenas um milímetro, ou seja, muito, muito pequenos e com uma grande espaço (pelo menos 100 m) livre entre eles. Assim sendo, as bolhas de plástico desaparecem e você pode agora viajar por um comprimento muito mais longo sem que nada o interrompa. Assim, a cascata vai começar muito mais profundamente no detetor. Dessa forma, o calorímetro pode executar duas tarefas ao mesmo tempo : Ele pode fornecer uma medida da energia da partícula E ajudar na identificação da partícula. Ambas as tarefas fazem com que estes aparatos sejam muito atraentes e muito usados na física de altas energias. Recentemente, um calorímetro de chumbo com cintiladores plásticos foi enviado para o espaço no detetor AMS!

Para ilustrar, selecionei dois eventos no detector ATLAS. No primeiro, um evento com dois fótons, vemos a deposição de energia acontecendo como dois sinais marcados em amarelo na primeira seção (eletromagnética) do calorímetro em verde. Vemos que estes sinais nunca tocam a segunda seção (hadrônica). Na segunda figura, vemos um evento com dois jatos. Cada um dos jatos atravessa o calorímetro electromagnético e chega a depositar uma grande quantidade de energia na parte mais profunda do detetor, como tinhamos discutido.

Evento Di-photon no ATLAS

Evento Di-Jet no ATLAS

Espero que essa tenha sido uma boa jornada no interior de um calorímetro. Na próxima semana teremos uma curta pausa de férias! Mas na outra semana, vamos discutir como funciona o material de amostragem para produzir um sinal elétrico em ambos os calorímetros do ATLAS (Lar e Tile, como são chamados!).

(* : Eu traduzi livremente – e possivelmente de forma errada – “absorber” em “absorvedor”. Aceito sugestões)

Le 4 avril dernier, la collaboration CDF de Fermilab près de Chicago a publié un article qui avait fait la manchette et dont la nouvelle s’était répandu à une vitesse approchant celle de la lumière dans la communauté de la physique des particules. Et ils viennent tout juste de remettre à jour ce résultat, le rendant encore plus convaincant. C’est que l’annonce de l’observation potentielle d’une nouvelle particule, inconnue, insoupçonnée et inhabituelle passe rarement inaperçue! C’est ce que toute physicienne et tout physicien des particules attend depuis des années. C’est donc très excitant et si cela s’avère vrai, pourrait être la plus grande découverte depuis des décennies.

En cherchant certaines désintégrations rares de paires de bosons, plus particulièrement celles d’un boson W accompagné soit d’un autre W ou d’un boson Z, CDF a observé un excès d’évènements qui peuvent difficilement être attribués à une source connue. Les bosons une catégorie de particules, celle associée à une des forces fondamentales de la physique. Les bosons Z et W sont les porteurs de la force électrofaible.

Ces évènements à deux bosons, on les trouve en reconstruisant le premier W quand il se désintègre en un muon ou un électron, plus un neutrino. Ensuite on cherche les débris du deuxième boson lorsque celui-ci se défait en deux gerbes de particules. Des tels évènements sont rares mais sont tout de même prédits par le Modèle Standard, notre outil théorique qui jusqu’à maintenant décrit presque tout ce que l’on a observé en physique des particules. Ces paires de bosons rares donc, mais prévues, sont généralement enfouies sous ce qu’on appelle le bruit de fond, des évènements bien plus abondants mais beaucoup moins intéressants parce que bien connus. Ce bruit de fond a tendance à masquer le signal, l’imitant même, ce qui le rend bien difficile à distinguer des évènements que l’on recherche. C’est un peu comme si on regardait un tas de sable: dans notre cas, en gros 95% du tas est fait de sable ordinaire, et un petit 5% provient d’un métal rare saupoudré par dessus. Ce que CDF observe, c’est qu’en plus du métal précieux, ils pensent y voir aussi un peu d’or. Mais comme tout le monde le sait, tout ce qui brille n’est pas forcément or. La question est donc de savoir si cette observation correspond à quelque chose de réel, ou est-ce simplement une illusion.

L’élément clé ici est quand on dit « qu’en gros » 95% vient du bruit de fond. Pour estimer la quantité d’évènements rares (les paires de bosons) il faut connaitre non seulement la quantité exacte de bruit de fond parmi tous les évènements sélectionnés, mais aussi leurs caractéristiques. Sans cela, comment peut-on affirmer qu’il y a quelque chose en sus? La moindre incertitude dans la prédiction du bruit de fond peut se métamorphoser en un excès et créer l’illusion de la présence de particules inédites. Ou cela pourrait aussi être causé par une fluctuation statistique dans le nombre d’évènements observés. On ne prédit jamais le nombre exact d’évènements, il y a toujours une marge d’erreur. Mais tous les gens dans notre domaine le savent bien, y compris les centaines de physiciens et physiciennes du groupe CDF. S’ils publient ces résultats, c’est aussi pour inviter les membres des autres expériences à confirmer ou réfuter cet effet à partir de détecteurs et de données différents.

Regardez cette figure extraite de l’article de CDF. On y voit la distribution de la masse combinée des deux gerbes imputées à la désintégration du second boson. Sur l’image en haut à gauche, on montre la simulation de différents évènements bien connus prédits par le Modèle Standard. Ils sont indiqués en vert, blanc, bleu et gris. Si on retourne à notre analogie, tout cela représente le sable. La simulation pour les paires de bosons est en rouge (le métal rare). C’est ce que CDF voulait mesurer en tout premier lieu. Là, les deux gerbes viennent soit d’un W ou d’un Z, et c’est pourquoi on voit une accumulation autour de 80 et 91 GeV/c2, la valeur respective de la masse des bosons W et Z. Bien sûr, la reconstruction n’est pas parfaite, ce qui explique que la masse soit reconstruite aux environs de la masse connue de ces bosons. Tout cela est normal.

Là où ça devient intéressant, c’est ce qu’il se produit lorsqu’on soustrait tout le bruit de fond (la somme de toutes les contributions de sources connues) de ce que l’on observe réellement avec les données recueillies, les point montrés en noir sur la figure. C’est ce qu’on voit en haut à droite. Là, il semble bien y avoir un autre pic. En fait, si on rajoute une simulation d’une particule nouvelle avec une masse aux environs de 140 GeV/c2, soulignée en bleu dans la figure en bas à droite, la somme des sources connues plus cette inconnue semble bien correspondre aux données réelles. Tout cela se trouve à l’intérieur de la marge d’erreur indiquée par les lignes verticales en noir associées à chaque point. Quand on prend en compte cette marge d’erreur, la probabilité que cet excès soit dû à une fluctuation statistique est inférieure à 1%. Mais moins de 1% ne veut pas dire zéro…cela pourrait arriver.

Ici au CERN, l’annonce de CDF en avril dernier n’est pas passée inaperçue. Plusieurs équipes travaillant sur des sujets reliés ont vite revisité leurs données à la recherche de cette nouvelle particule potentielle. En fait, nous avions déjà plusieurs distributions semblables car nous aussi, dans les collaborations ATLAS et CMS avions cherché ces paires de bosons.

ATLAS avait déjà en main des distributions similaires. Donc dès le lendemain de l’annonce, on a pu y jeter un premier coup d’œil, et en quelques jours, refaire la sélection de ces évènements en reproduisant exactement l’analyse de CDF.

Même scénario chez CMS : encore une fois, beaucoup d’activité dans les jours qui ont suivi cette annonce, des meetings convoqués avec peu de préavis et d’abondants échanges de courriels avec pleins de figures en attachement.

Mais jusqu’à présent, rien de nouveau de notre côté. Cela ne signifie pas que cet effet n’existe pas. Bien sûr, il peut-être factice mais il se peut aussi simplement nous n’ayons pas encore analysé suffisamment de données pour le voir. Nous en saurons plus dès qu’on aura complété l’analyse des données recueillies en 2011, ce qui sera sans doute fait d’ici aux grandes conférences d’été.

Comme on peut le voir sur la figure ci-dessous publiée par ATLAS basée sur les données de 2010 seulement et en appliquant les même critères de sélection que CDF, il n’y a aucune différence entre ce qu’on observe dans les vraies données recueillies en 2010 (les points en noir) et les prédictions de la théorie montrées par les différentes contributions de sources connues (en couleur). Tout est consistent avec la marge d’erreur représentée par les hachures. Bien sûr, tout deviendra encore plus intéressant dès que CMS et ATLAS complèteront la calibration et l’analyse des données de 2011. Et on en a déjà dix fois plus qu’en 2010!

L’autre expérience de Fermilab, D0, est maintenant dans la meilleure position pour vérifier indépendamment cette observation. On s’attend à ce qu’ils publient leurs résultats très prochainement.

D0 à Fermilab, ainsi que CMS et ATLAS ici au CERN doivent maintenant confirmer ou réfuter l’hypothèse formulée par CDF. Si cette nouvelle particule existe, tout le monde devrait la voir, prouvant ainsi son existence. Car pour qu’on y croit, il nous faut cette seconde confirmation. D’ici là, on ne peut que se demander si on a pas affaire à une de ces fluctuations statistiques qui ne cessent de nous pourrir la vie. On en saura sûrement plus dès les premières conférences d’été. Restez donc à l’écoute!

Pauline Gagnon

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