Метод совпадений

В физике элементарных частиц метод совпадений (или техника совпадений ) — это экспериментальная конструкция, с помощью которой детекторы частиц регистрируют два или более одновременных измерения определенного события через разные каналы взаимодействия. Обнаружение может осуществляться путем обнаружения первичной частицы и/или путем обнаружения вторичных продуктов реакции. Такой метод используется для повышения чувствительности эксперимента к конкретному взаимодействию частиц, уменьшая смешение с фоновыми взаимодействиями за счет создания большего количества степеней свободы, с помощью которых рассматриваемая частица может взаимодействовать. Первое заметное использование метода совпадений было проведено в 1924 году в ходе эксперимента Боте-Гейгера . ^[1]

Чем выше скорость взаимодействий или продуктов реакции, которые можно измерить по совпадению, тем труднее оправдать такое событие, произошедшее на основе фонового потока, и тем выше эффективность эксперимента. Например, в эксперименте Коуэна и Рейнса с нейтрино (1956 г.) использовалась схема, основанная на методе четырехкратного совпадения. ^[2] Детекторы частиц, основанные на измерениях совпадений, часто называют q-кратными, где q — количество измерений канала, которые необходимо запустить, чтобы подтвердить, что желаемое взаимодействие имело место. ^[3] Счетчики антисовпадений или «вето» часто используются для фильтрации обычных фонов, таких как космические лучи, от взаимодействия с основной средой обнаружения. Например, такое право вето используется в гамма-обсерватории COS-B . Детекторы, основанные на конструкции совпадений, ограничены случайными, случайными событиями совпадений. ^[4]

Фон

Проекты совпадений являются важным методом повышения достоверности сигналов и уменьшения случайного фона в широком диапазоне детекторов частиц. Общие фоны включают продукты радиоактивного распада ( бета- , альфа- и гамма -излучения) и космические лучи (протоны, атмосферные ливни ). Такой фон может вызывать случайные взаимодействия внутри детектора частиц, которые трудно отличить от целевой частицы. Если рассматриваемая частица способна запускать несколько каналов, коррелированных во времени или пространстве, с большей вероятностью можно определить, что частица не является фоновым триггером. Могут произойти «случайные» совпадения, когда все каналы запускаются частицами, которые еще не исследованы, но взаимодействуют с каждым каналом одновременно. ^[4]^[5] В этом случае измерения этого случайного события может быть трудно отделить от измерений целевых событий.

Схема совпадений должна содержать два или более измеряемых канала для обнаружения взаимодействия частиц, которые могут быть коррелированы друг с другом или с рассматриваемым взаимодействием во времени, пространстве и/или свойствах/продуктах взаимодействия. Для некоторой экспериментальной установки с q каналами совпадений (q-кратное совпадение) скорость, с которой можно измерить истинные коррелированные события совпадений. ${\textstyle R_{q}}$ дается:

R_{q}=q\tau ^{q-1}\prod _{1}^{q}N_{q}

где $N_{q}$ - скорость счета каждого канала и $\tau$ это время между отсчетами. Чем выше временное разрешение детектора совпадений, тем легче отличить «случайные» совпадения от истинных сигналов. ^[3]

Скорость, с которой измеряются события совпадений $R_{\rm {coincidence}}$ по сравнению со скоростью, с которой измеряются все предполагаемые триггеры сигналов $R_{\rm {suspected}}$ определяет эффективность детектора $\epsilon$ : ^[6]

\epsilon ={\frac {R_{\rm {coincidence}}}{R_{\rm {suspected}}}}

в этом случае $R_{\rm {coincidence}}$ также может быть определен как произведение всех q каналов совпадений на исходное количество частиц, доступных для обнаружения. $N$ : ^[7]

R_{\rm {coincidence}}=N\prod _{1}^{q}\epsilon _{q}

Поэтому способность детектора успешно подтверждать совпадение сигналов прямо пропорциональна его эффективности.

История и известные эксперименты

Использование детекторов совпадений в экспериментах по физике элементарных частиц открыло двери для аналогичных методов в ядерной физике , физике астрочастиц и других смежных областях. Сегодня большое разнообразие действующих детекторов частиц содержит ту или иную идентифицируемую форму совпадений или антисовпадений.

Гейгер, Боте и счетчик Гейгера-Мюллера

Схема эффекта Комптона. Гейгер и Боте стремились охарактеризовать физику передачи энергии внутри дискретных систем частиц. Этот аспект сделал эффект Комптона желательным явлением для изучения.

В 1924 году физики Вальтер Боте и Ганс Гейгер использовали метод совпадений для исследования комптоновского рассеяния гамма-лучей и рентгеновских лучей — явления, квантово-механическая природа которого (см. корпускулярно-волновой дуализм ) в отношении сохранения энергии в то время была неоднозначной. ^[1] Эксперимент Боте-Гейгера был первым значительным экспериментом по совпадению, проверявшим передачу энергии между падающим фотоном и электроном в этом процессе. В эксперименте использовались два счетчика Гейгера: один для обнаружения первоначального выбора отдачи, а другой для одновременного обнаружения отдачи вторичных электронов, вызванной фотонным продуктом первой отдачи. Эта установка включала в себя схему совпадений , которая измеряла процесс до $\tau$ = 1 мс и с точностью 0,1 мс. ^[8] За эту работу в 1954 году Боте получил Нобелевскую премию по физике . ^[8]

Нейтринный эксперимент Конана и Рейнса

В 1956 году было известно, что для баланса спиновых состояний процесса бета-распада нейтрино со спином 1/2 должно быть продуктом реакции $n^{0}\rightarrow \nu +p^{+}+\beta ^{-}$ , где $n^{0}$ это нейтрон, $\nu$ это нейтрино, $p^{+}$ представляет собой протон, а $\beta ^{-}$ является бета-частицей. Пытаясь развить теоретическую концепцию нейтрино, предоставив эмпирические доказательства его существования, физики Клайд Л. Коуэн и Фредерик Райнс построили эксперимент за пределами ядерного реактора, который, как ожидается, будет испускать нейтрино. Коуэн и Райнс решили построить эксперимент с четырьмя совпадениями, поскольку близость к ядерному реактору обеспечивала обильный поток нейтрино, но также создавала интенсивный фон (нейтроны, гамма-лучи и т. д.).

присутствие нейтрино (или, в данном эксперименте, антинейтрино В эксперименте использовалось несколько каналов взаимодействия, по которым можно было обнаружить ). Антинейтрино попадут в резервуар с водой, легированной хлоридом кадмия, и вступят во взаимодействие с протоном молекулы воды. Эта реакция ( $p^{+}+\nu _{-}\rightarrow n^{0}+\beta ^{+}$ , где $\beta ^{+}$ представляет собой позитрон и $\nu _{-}$ представляет собой антинейтрино), высвободившееся из позиции, которая взаимодействовала с одной из двух соседних емкостей жидкого сцинтиллятора. Полученные фотоны затем можно было измерить с помощью фотоумножителей, установленных на сцинтилляционных резервуарах. Пока происходит это взаимодействие, нейтронный продукт исходной реакции совершает случайное блуждание по воде, легированной кадмием, пока не поглощается атомом кадмия. Затем этот процесс производит больше гамма-лучей, которые впоследствии обнаруживаются. Таким образом, вся система включает две пары одновременно зарегистрированных событий, корреляция которых во времени дает убедительное свидетельство взаимодействия с участием нейтрино. ^[9]

Гамма-телескоп COS-B

Изобретение метода совпадений привело к появлению новых методов измерения космических лучей высоких энергий . В таком эксперименте COS-B , запущенный в 1975 году, имел функцию антисовпадения для заряженных частиц, а также три сцинтилляционных детектора для измерения электронных каскадов, вызванных приходящим гамма-излучением. Следовательно, взаимодействия гамма-лучей можно измерить с трехкратным совпадением после прохождения вето заряженных частиц (см. «Антисовпадения»). ^[10]

Другие эксперименты с использованием методов совпадений

Антисовпадение

Метод антисовпадений, как и метод совпадений, помогает отличить фоновые взаимодействия от целевых сигналов. Однако конструкции антисовпадений используются для активного отклонения несигнальных частиц, а не для подтверждения сигнальных частиц. ^[14] Например, счетчики антисовпадений могут использоваться для защиты заряженных частиц, когда эксперимент явно направлен на поиск нейтральных частиц. ^[15] как в эксперименте с нейтрино СуперКамиоканде . Эти заряженные частицы часто являются космическими лучами .

Детекторы антисовпадений работают, отмечая или отвергая любые события, которые запускают один канал детектора, но не другой. Для заданной скорости совпадающих взаимодействий частиц $R_{\rm {coincident}}$ ,

$R_{\rm {coincident}}=R_{\rm {suspected}}-R_{\rm {uncorrelated}}$

где $R_{\rm {suspected}}$ - это частота предполагаемых целевых взаимодействий и $R_{\rm {uncorrelated}}$ — это частота всех обнаруженных, но некоррелированных событий по нескольким каналам. ^[16] Это показывает, что все некоррелированные события, измеренные с использованием метода антисовпадений, могут быть удалены из всех возможных взаимодействий, чтобы получить эти подтверждаемые совпадающие взаимодействия. Для любого q-сложенного дизайна $R_{suspected}$ будет включать все совпадающие и все некоррелированные события.

Дальнейшее чтение

Справочник по обнаружению частиц и визуализации (Grupen, 2012)

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Бонолис, Луиза. «Вальтер Боте и Бруно Росси: рождение и развитие методов совпадений в физике космических лучей». Итальянская ассоциация преподавания физики, arXiv , 29 июля 2011 г., arxiv.org/pdf/1106.1365.pdf.
^ Коуэн, CL и др. «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Наука , том. 124, нет. 3212, 20 июля 1956 г., с. 448, DOI: 10.1126/science.124.3212.103.
^ Перейти обратно: ^а ^б Групен, К. и Б. Шварц. Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press , 2008, стр. 64, kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Particle_Detectors_Grupen.pdf
^ Перейти обратно: ^а ^б Групен, К. и Б. Шварц (2008). Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press, стр. 63.
^ Грин, Дэн. «Физика детекторов частиц». Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 12, Cambridge University Press , 2000, стр. 12. 51.
^ «Приложения тройного совпадения». Hidex Oy, 2023 г., Hidex.com/ebooks/liquid-scintillation-measuring-procedures/introduction/triple-coincidence-applications/ .
^ Групен, К. и Б. Шварц. Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press , 2008, стр. 65, kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Particle_Detectors_Grupen.pdf
^ Перейти обратно: ^а ^б Боте, Вальтер (1954). «Метод совпадений» Нобелевская лекция . Проверено 11 августа 2023 г.
^ Коуэн, CL и др. «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Наука , том. 124, нет. 3212, 20 июля 1956 г., стр. 447-448, DOI: 10.1126/science.124.3212.103.
^ "COS-B." НАСА , HEASARC НАСА: Обсерватории, 20 апреля 2020 г., heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cosb/cosb_about.html .
^ Групен, К. и Б. Шварц. Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press , 2008, стр. 493, kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Particle_Detectors_Grupen.pdf
^ "Детектор АМС-02". AMS , ams02.space/detector .
^ "КРЕСТ." Национальные лаборатории Гран-Сассо , www.lngs.infn.it/en/cresst .
^ Групен, К. Физика астрочастиц . Спрингер, 2010, с. 114.
^ Групен, К. и Б. Шварц. Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press , 2008, стр. 297, 319, kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Particle_Detectors_Grupen.pdf 297, 319
^ Мюллер, JW и др. «Метод антисовпадений». Отчет ICUR: Подсчет частиц при измерении радиоактивности , том. ОС-27, Выпуск 1, вып. 52, Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям, 1994, doi.org/10.1093/jicru_os27.1.4.

[Bonolis,_Luisa_2011-1] Перейти обратно: ^а ^б Бонолис, Луиза. «Вальтер Боте и Бруно Росси: рождение и развитие методов совпадений в физике космических лучей». Итальянская ассоциация преподавания физики, arXiv , 29 июля 2011 г., arxiv.org/pdf/1106.1365.pdf.

[2] Коуэн, CL и др. «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Наука , том. 124, нет. 3212, 20 июля 1956 г., с. 448, DOI: 10.1126/science.124.3212.103.

[Grupen,_C_2008,_p._64-3] Перейти обратно: ^а ^б Групен, К. и Б. Шварц. Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press , 2008, стр. 64, kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Particle_Detectors_Grupen.pdf

[grupen63-4] Перейти обратно: ^а ^б Групен, К. и Б. Шварц (2008). Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press, стр. 63.

[5] Грин, Дэн. «Физика детекторов частиц». Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 12, Cambridge University Press , 2000, стр. 12. 51.

[6] «Приложения тройного совпадения». Hidex Oy, 2023 г., Hidex.com/ebooks/liquid-scintillation-measuring-procedures/introduction/triple-coincidence-applications/ .

[7] Групен, К. и Б. Шварц. Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press , 2008, стр. 65, kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Particle_Detectors_Grupen.pdf

[bothe-8] Перейти обратно: ^а ^б Боте, Вальтер (1954). «Метод совпадений» Нобелевская лекция . Проверено 11 августа 2023 г.

[9] Коуэн, CL и др. «Обнаружение свободного нейтрино: подтверждение». Наука , том. 124, нет. 3212, 20 июля 1956 г., стр. 447-448, DOI: 10.1126/science.124.3212.103.

[10] "COS-B." НАСА , HEASARC НАСА: Обсерватории, 20 апреля 2020 г., heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cosb/cosb_about.html .

[11] Групен, К. и Б. Шварц. Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press , 2008, стр. 493, kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Particle_Detectors_Grupen.pdf

[12] "Детектор АМС-02". AMS , ams02.space/detector .

[13] "КРЕСТ." Национальные лаборатории Гран-Сассо , www.lngs.infn.it/en/cresst .

[14] Групен, К. Физика астрочастиц . Спрингер, 2010, с. 114.

[15] Групен, К. и Б. Шварц. Детекторы частиц . Кембриджские монографии по физике элементарных частиц, ядерной физике и космологии 26, второе издание, Cambridge University Press , 2008, стр. 297, 319, kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Particle_Detectors_Grupen.pdf 297, 319

[16] Мюллер, JW и др. «Метод антисовпадений». Отчет ICUR: Подсчет частиц при измерении радиоактивности , том. ОС-27, Выпуск 1, вып. 52, Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям, 1994, doi.org/10.1093/jicru_os27.1.4.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]