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Academic Year/course: 2022/23

628 - Master's Degree in Physics of the Universe: Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles

68367 - Physics and engineering of particle detectors


Syllabus Information

Academic Year:
2022/23
Subject:
68367 - Physics and engineering of particle detectors
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
628 - Master's Degree in Physics of the Universe: Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles
ECTS:
6.0
Year:
01
Semester:
First semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1. General information

1.1. Aims of the course

This course will provide an updated overview on i) the radiation and particle detection physics and ii) the state of the art and R&D on particle detectors applied in different fields of Science in particular in the Astronomy and Particle Physics fields. The course focuses on practical aspects, while providing a general overview of the detection techniques and relevant applications for each of them. The students will specialize in a technique of their choice, on which they will base their laboratory activities: it is expected that the hardware and software skills they will acquire will guide them to an adequate application of that technique to a specific case. For this task, the integration of knowledge and skills acquired in other courses, like Advanced Instrumentation or Astroparticle Physics I and II, will be useful.

These approaches and objectives are aligned with the following Sustainable Development Goals (SDGs) of the United Nations 2030 Agenda (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), in such a way that the acquisition of the results of learning of the subject provides training and competence to contribute to some extent to its achievement: Goal 4: Quality education; Goal 5: Gender equality; Goal 9: Industry, innovation and infrastructures.

1.2. Context and importance of this course in the degree

The outstanding development of radiation and particle detection techniques propelled by the Nuclear and Particle Physics field boosted the progress achieved by Astronomy, Astrophysics and Astroparticle Physics along the second half of the twenty century. The knowledge of the most advanced techniques, as well as the acquisition of a wide overview of all the available techniques, is necessary for a good understanding of the present situation of those fields, and their prospects for the future.

1.3. Recommendations to take this course

This course complements and follows the first semester Advanced Instrumentation course, being highly recommended to follow both. This course will apply the most adequate instrumentation tools for each detector type and the laboratory activities will be a continuation of those taken in Advanced Instrumentation.

2. Learning goals

2.1. Competences

At the end of the course, students should be more competent to:

● Use common techniques and computer tools to model, simulate and analyze data in the different fields of Astronomy and Particle Physics.
● Analyze, process and interpret experimental data from the Particle Physics and Astronomy fields.
● Operate instruments and apply experimental methods from the Particle Physics and Astronomy fields.
● Delve into a research topic and learn the most recent progress and present research lines in the Cosmology, Astrophysics, Particle and Astroparticle Physics.

2.2. Learning goals

To pass the course, students must prove to be able to:

● Describe the interaction mechanisms of different particles in matter.
● Learn how particle detectors work and the historical development of the different techniques
● Discriminate observables and signals associated to the interaction of radiation and particles in the most commonly used detectors.
● Identify the most suitable detector according to radiation type, energy range or physics goal.
● Use different types of radiation detectors and interpret the obtained results.
● Use instrumentation specifically designed to be applied in detection techniques for different radiation and particles.

2.3. Importance of learning goals

The progress in knowledge comes from the development of improved devices able to detect particles and radiation with increasing precision or even by identifying processes that were not detectable before. The interpretation of the information provided by those devices will allow testing the present theory describing the specific phenomenon under study. The more appropriate the detectors to the object of study, the better the results obtained and the more robust the conclusions to be drawn.
The learning results of this course will enable the student to use correctly different types of detectors, conducting experiments, analyzing data and solving problems in the laboratory and evaluating the relevance, adequacy or operability of the different types of detectors according to the experimental problem faced. At the same time, and in combination with the other courses of the subject, they will offer the student the necessary ground to design and implement novel applications of the detection techniques and to contribute to the development of new detection techniques, adapted to the requirements of a specific project.

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

Students must prove the achievement of the learning goals by means of the following assessment tasks:

  • E02 - Case studies, problem and question-solving and other assigned activities: 10%
  • E05 - Assessment tests: 10%
  • E06 - Laboratory work: 40%
  • E01 a - Written reports corresponding to laboratory work: 30%
  • E01 b - Other written reports: 10%

To pass the course, the global mark obtained by averaging all the assessment tasks should be at least 5.0 (over 10.0). Moreover, marks corresponding to E05, E06 and E01a should be also at least 5.0 (over 10.0) each.

Passing the course by means of an unique global examination

The course is intended to be followed having in-person lectures and laboratory sessions and performing the assessment tasks previously described. In any case, the student could opt for a global examination, according to the rules of the University of Zaragoza.
This global examination will take place on the dates fixed by the Science Faculty and will include both written and laboratory exams.

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The learning process of the course is based on:

  • Lectures with active participation
  • Problem-based learning
  • Case studies
  • Laboratory sessions
  • Assigned reports
  • Laboratory reports
  • Tutorial sessions
  • Small group work
  • Autonomous work and study
  • Assessment tasks

4.2. Learning tasks

The foreseen activities to help students to achieve the learning goals include:

  1. Attendance and active participation in lectures (20 h, 100% in-person)
  2. Case studies, discussion and debate on topics of the subject (10 h, 70% in-person)
  3. Solving of exercises and problems related to the laboratory sessions (10 h, 70% in-person)
  4. Laboratory sessions (20 h, 90% in-person)
  5. Preparation and presentation of reports (20 h, 0% in-person)
  6. Preparation of laboratory reports (18 h, 0% in-person)
  7. Tutorial sessions (in-person or online) (10 h, 50% in-person)
  8. Autonomous study (40 h, 0% in-person)
  9. Oral or written examination (2 h, 100% in-person)

All the activities designed to be in-person will be converted into online activities (total or partial online, with limited number of in-person attendees) if the sanitary situation leads the competent authorities and the University of Zaragoza to issue provisions in this regard.

4.3. Syllabus

  1. Physical fundamentals of radiation and particle detection
  2. Introduction to radiation and particle detectors:
    1. Historical evolution
    2. General performance parameters (calibration, efficiency, resolution, dead time, response time, …)
  3.  Radiation detectors
    1. Photodetectors (PMTs, CCDs, …)
    2. Radiotelescopes and interferometers.
    3. Gamma and X-ray telescopes
  4. Particle detectors
    1. Gaseous detectors
    2. Semiconductor detectors
    3. Scintillators
    4. Calorimeters
    5. Others
  5. Detection of neutrons, neutrinos and exotic particles

4.4. Course planning and calendar

Calendar for in-person sessions and tasks presentations

The dates corresponding to the beginning and end of each semester, as well as the allocated time schedule for the course will be published before the course registration at the webpage of the Science Faculty. The calendar of global examinations will also be available at that webpage.
The deadlines for the presentation of reports and assessment tasks, tests or activities will be stablished by the teachers of the course in the first week.
The scheduling of laboratory sessions will be agreed upon individually with each student among a reasonable range of proposed dates.

4.5. Bibliography and recommended resources

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=68367


Curso Académico: 2022/23

628 - Máster Universitario en Física del Universo: Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astroparticulas

68367 - Física e ingeniería de detectores de partículas


Información del Plan Docente

Año académico:
2022/23
Asignatura:
68367 - Física e ingeniería de detectores de partículas
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
628 - Máster Universitario en Física del Universo: Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astroparticulas
Créditos:
6.0
Curso:
01
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

Esta asignatura dará a los estudiantes una visión actualizada, por una parte, de la física de la detección de radiación y partículas y por otra, del estado del arte en investigación y desarrollo de estos detectores con aplicación en distintos ámbitos de la Ciencia, pero en particular en los campos de la Física de Partículas y la Astronomía. El enfoque de la asignatura será eminentemente práctico, dando una visión general de las técnicas de detección y ejemplos relevantes para cada una de ellas, pero permitirá al alumno elegir una técnica determinada en la que especializarse y desarrollar en ella las actividades prácticas de la asignatura. El estudiante deberá adquirir herramientas de hardware y software que le permitan implementar una aplicación de la técnica de detección elegida para la resolución de un problema concreto, debiendo integrar los conocimientos adquiridos también en otras asignaturas del máster, en particular, la de instrumentación avanzada.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con los siguientes Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia para contribuir en cierta medida a su logro: Objetivo 4: Educación de calidad; Objetivo 8: Igualdad de género; Objetivo 9: Industria, innovación e infraestructuras;

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

El espectacular desarrollo experimentado por las diversas técnicas de detección de partículas y radiación, impulsada desde la Física Nuclear y de Partículas, ha sido el motor que ha propiciado el avance de la Astronomía, Astrofísica y de la Física de Astropartículas durante la segunda mitad del siglo XX. El conocimiento de las técnicas más novedosas, así como la adquisición de una amplia visión de las técnicas existentes en su conjunto es necesario, por tanto, para una correcta comprensión de la situación presente y el futuro del campo.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Esta asignatura es complementaria y continuación de Instrumentación Avanzada para experimentos de Astronomía y Física de Partículas, por lo que se aconseja cursar ambas. En particular, en esta asignatura se aplicará la instrumentación más adecuada a cada tipo de detector, pudiendo considerarse las prácticas de esta asignatura como continuación de las correspondientes de Instrumentación Avanzada.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para:

  • Utilizar las técnicas y herramientas informáticas de modelización, simulación y análisis de datos más comunes en Astronomía y en la Física de Partículas.
  • Analizar, tratar e interpretar datos experimentales obtenidos en el ámbito de la Física de Partículas y de la Astronomía.
  • Manejar los instrumentos y métodos experimentales utilizados en el ámbito de la Astronomía y la Física de Partículas.
  • Profundizar en un tema de investigación y conocer los avances más recientes y las actuales líneas de investigación en los ámbitos de la Cosmología, Astrofísica y Física de Partículas y Astropartículas.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados:

  • Describir cómo interaccionan las diferentes partículas con la materia.
  • Explicar cómo funciona un detector de radiación y cuál ha sido su evolución histórica.
  • Distinguir las señales que deja la interacción de la radiación en los materiales usados comúnmente como detectores.
  • Identificar el detector más adecuado para cada tipo de radiación, rango de energía o propósito.
  • Saber utilizar diferentes detectores de partículas e interpretar los resultados.
  • Usar instrumentación específica diseñada para las técnicas de detección de distintos tipos de radiación y de partículas.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Los avances en el conocimiento vienen de la mano del desarrollo de dispositivos mejorados que nos permitan captar las señales que producen las partículas y la radiación cada vez con mayor precisión o incluso identificando procesos que antes no eran detectables. La interpretación de estas señales permite poner a prueba la teoría vigente que describe el fenómeno específico que estemos estudiando. Cuanto más adecuados sean los detectores al objeto de estudio, mejores resultados se obtendrán y conclusiones más robustas se podrán formular.
Los resultados de aprendizaje de esta asignatura habilitarán al estudiante para el uso correcto de distintos tipos de detectores, la realización de experimentos, el análisis de datos y resolución de problemas en el laboratorio y la evaluación sobre la relevancia, adecuación o la operatividad de los distintos tipos de detectores en función del problema experimental que se afronta. A la vez, y en combinación con las demás asignaturas de la materia, ofrecerán al estudiante las bases necesarias para diseñar e implementar aplicaciones novedosas de las técnicas de detección aprendidas y contribuir al desarrollo de nuevas técnicas de medición y detección, adaptándose a las necesidades de un proyecto específico.

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluación

  • Valoración del trabajo en el laboratorio (E06): 40%: Nota LT
  • Valoración de los informes correspondientes a las sesiones de laboratorio (E01): 30%: Nota LI
  • Valoración de otros informes y trabajos escritos (E01):10%: Nota T
  • Valoración de análisis de casos, resolución de problemas, cuestiones y otras actividades (E02): 10%: Nota CP
  • Valoración de las pruebas de evaluación (E05): 10%: Nota E

Las pruebas de evaluación (E) serán exámenes de tipo test o de preguntas cortas que se realizarán al finalizar las distintas partes de la asignatura, en formato presencial o telemático, a través del ADD. Se avisará por adelantado de la fecha de realización de cada test, que será síncrono. Otros trabajos escritos, problemas, cuestiones y otras actividades de evaluación (T y CP) se irán proponiendo como parte de la evaluación continua de la asignatura a lo largo del curso y se indicará un plazo para su entrega, que podrá ser por vía telemática.
Todas las pruebas de evaluación se calificarán de 0 a 10 puntos.
Para superar la asignatura la calificación final, CF, obtenida a partir de CF=0.1*E+0.1*CP+0.1*T+0.3*LI+0.4*LT, deberá ser igual o superior a 5.0, debiendo necesariamente ser superiores a 5.0 las calificaciones LT, LI y E.

Superación de la asignatura mediante una prueba global única

La asignatura ha sido diseñada para estudiantes que asistan a las clases presenciales en el aula y en el laboratorio, y realicen las actividades de evaluación anteriormente expuestas. Sin embargo, habrá también una prueba de evaluación global de la asignatura, como indica la normativa de evaluación del aprendizaje de la Universidad de Zaragoza.

Esta prueba de evaluación global será una prueba teórico-práctica única en el laboratorio y se realizará en las fechas establecidas por la Facultad de Ciencias.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en las siguientes actividades:

  • Clases magistrales participativas.
  • Aprendizaje basado en problemas.
  • Resolución de casos.
  • Prácticas en el laboratorio.
  • Trabajos escritos.
  • Informes de prácticas.
  • Tutorías.
  • Trabajo en pequeños grupos.
  • Trabajo y estudio personal.
  • Pruebas de evaluación.

4.2. Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades:

  1. Participación y asistencia a lecciones magistrales de forma presencial o telemática: 20 horas presenciales.
  2. Análisis de casos, puesta en común y debate sobre los contenidos de la asignatura: 10 horas, 7 presenciales.
  3. Realización de prácticas de laboratorio: 20 horas, 18 presenciales.
  4. Resolución de problemas relacionados con las prácticas de laboratorio: 10 horas, 7 presenciales.
  5. Realización y presentación escrita de trabajos: 20 horas no presenciales.
  6. Realización de informes de prácticas de laboratorio: 18 horas no presenciales.
  7. Tutorías de forma presencial o telemática: 10 horas, 5 presenciales.
  8. Estudio individual: 40 horas no presenciales.
  9. Pruebas de evaluación escrita u oral: 2 horas presenciales.

Las actividades docentes y de evaluación se llevarán a cabo de modo presencial salvo que, debido a la situación sanitaria, las disposiciones emitidas por las autoridades competentes y por la Universidad de Zaragoza obliguen a realizarlas de forma telemática o semi-telemática con aforos reducidos rotatorios.

4.3. Programa

  1.  Fundamentos físicos de la detección de radiación y partículas.
  2. Introducción a los detectores de radiación y partículas:
    • evolución histórica
    • características generales (calibración, eficiencia, resolución, tiempo muerto, tiempo de respuesta)
  3. Detectores de radiación:
    • fotodetectores (PMTs, CCDs, …)
    • radiotelescopios e interferómetros
    • telescopios de alta energía: rayos X, rayos gamma
  4. Detectores de partículas:
    • detectores gaseosos
    • detectores semiconductores
    • centelleadores
    • calorímetros
    • otros tipos
  5. Detección de neutrones, neutrinos y partículas exóticas

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones presenciales y presentación de trabajos

Las fechas de inicio y fin de cada semestre del curso académico, así como los horarios reservados para la asignatura serán públicos antes del periodo de matrícula, en la página web de la Facultad de Ciencias.
El calendario correspondiente a las pruebas globales de evaluación, asimismo, estará disponible en la página web de la Facultad de Ciencias, antes del periodo de matrícula.

Las fechas finales para la presentación de trabajos, así como las fechas de pruebas de evaluación progresiva a lo largo del curso serán establecidas y anunciadas por los profesores al inicio del curso.

Las fechas para las sesiones de laboratorios serán acordadas de forma individual con los estudiantes matriculados entre una propuesta inicial razonablemente amplia realizada por los profesores responsables de dicha docencia al inicio del curso.

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=68367