Герметичный детектор

В физике элементарных частиц ( герметичный детектор также называемый детектором 4π ) — это детектор частиц, предназначенный для наблюдения всех возможных продуктов распада взаимодействия между субатомными частицами в коллайдере большую область вокруг точки взаимодействия , охватывающий как можно и включающий несколько типов. субдетекторов. Обычно они имеют примерно цилиндрическую форму с детекторами разных типов, обернутыми друг вокруг друга концентрическими слоями; Каждый тип детектора специализируется на определенных частицах, поэтому практически любая частица может быть обнаружена и идентифицирована. Такие детекторы называются « герметичными », потому что они устроены так, что движение частиц прекращается на границах камеры без выхода за ее пределы из-за уплотнений ; ^[1] Название «детектор 4π» происходит от того факта, что такие детекторы предназначены для охвата почти всех 4π стерадианов телесного угла вокруг точки взаимодействия; в рамках стандартной системы координат, используемой в физике коллайдеров, это эквивалентно охвату всего диапазона азимутальных углов ( $-\pi \leq \phi \leq \pi$ ) и псевдобыстроты ( $|\eta |\geq 0$ ). На практике частицы с псевдобыстротой, превышающей определенный порог, не могут быть измерены, поскольку они слишком почти параллельны лучу и, таким образом, могут пройти через детектор. Этот предел диапазонов псевдобыстроты, которые можно наблюдать, является частью приемлемости детектора (т.е. диапазона фазового пространства, который он может наблюдать); Вообще говоря, основная цель разработки герметичного детектора состоит в том, чтобы максимизировать приемистость, т.е. гарантировать, что детектор способен измерять как можно большую область фазового пространства.

Первым таким детектором был Mark I в Стэнфордском центре линейных ускорителей , и базовая конструкция использовалась для всех последующих детекторов-коллайдеров. До создания Mark I считалось, что большинство продуктов распада частиц будут иметь относительно низкий поперечный импульс (т. е. импульс, перпендикулярный лучу ) , так что детекторы могут охватывать только эту область. Однако в ходе экспериментов Mark I и последующих экспериментов выяснилось, что большинство взаимодействий фундаментальных частиц на коллайдерах включают очень большой обмен энергией, и поэтому большие поперечные импульсы не являются редкостью; по этой причине большой угловой охват имеет решающее значение для современной физики элементарных частиц.

Более поздние герметичные детекторы включают детекторы CDF и DØ на Фермилаба ускорителе Теватрон , а также детекторы ATLAS и CMS на ЦЕРН БАК . Эти машины имеют герметичную конструкцию, поскольку являются детекторами общего назначения, а это означает, что они способны изучать широкий спектр явлений в физике высоких энергий. Более специализированные детекторы не обязательно имеют герметичную конструкцию; например, LHCb охватывает только переднюю область (высокой псевдобыстроты), поскольку она соответствует области фазового пространства, представляющей наибольший интерес для его физической программы.

Компоненты

Схема основных узлов герметичного детектора; IP относится к области, содержащей точку взаимодействия сталкивающихся частиц. Это поперечное сечение типичной цилиндрической конструкции.

Герметичный детектор состоит из трех основных компонентов. Изнутри первый представляет собой трекер , который измеряет импульс заряженных частиц , когда они изгибаются в магнитном поле . Далее идут один или несколько калориметров , которые измеряют энергию большинства заряженных и нейтральных частиц, поглощая их плотным материалом, и мюонная система , которая измеряет тот тип частиц, который не задерживается калориметрами и все еще может быть обнаружен. Каждый компонент может иметь несколько различных специализированных подкомпонентов.

Трекеры

Магнитное поле детектора заставляет частицу вращаться, ускоряя ее в направлении, перпендикулярном ее движению, посредством силы Лоренца . Система слежения отображает спираль, по которой движется такая заряженная частица, когда она движется через магнитное поле, локализуя ее в пространстве в мелкосегментированных слоях детекторного материала, обычно кремния . Радиус кривизны частицы $R$ пропорционален его импульсу, перпендикулярному лучу (т.е. поперечному импульсу или $p_{T}$ ) по формуле $p_{T}=qBR$ (где $q$ - заряд частицы и $B$ — магнитная индукция ), а степень его дрейфа в направлении оси луча придает ему импульс в этом направлении.

Калориметры

Калориметры замедляют частицы и поглощают их энергию материалом, позволяя измерить эту энергию. Их часто делят на два типа: электромагнитный калориметр, который специализируется на поглощении частиц, взаимодействующих электромагнитно , и адронный калориметр, который может обнаруживать адроны , которые взаимодействуют посредством сильного ядерного взаимодействия . Адронный детектор необходим, в частности, для обнаружения тяжелых нейтральных частиц .

Мюонная система

Из всех известных стабильных частиц только мюоны и нейтрино проходят через калориметр, не теряя большей части или всей своей энергии. Нейтрино нельзя наблюдать непосредственно в экспериментах на коллайдере из-за их чрезвычайно малого сечения взаимодействия с адронной материей (из которой состоит детектор), и их существование должно быть выведено из так называемой «недостающей» (поперечной) энергии , которая вычисляется как только будут учтены все остальные частицы в событии. Однако мюоны (заряженные) можно измерить с помощью дополнительной системы слежения вне калориметров.

Идентификация частиц

Большинство частиц имеют уникальные комбинации сигналов, оставленные в каждой подсистеме детектора, что позволяет идентифицировать разные частицы. Например, электрон заряжен и взаимодействует электромагнитно, поэтому его отслеживает трекер, а затем передает всю свою энергию в (электромагнитный) калориметр. Напротив, фотон нейтрален и взаимодействует электромагнитно, поэтому он отдает свою энергию в калориметре, не оставляя следа.

См. также

ATLAS эксперимент , за подробное описание такого детектора.
Компактный мюонный соленоид , за хорошо иллюстрированное описание еще одного такого детектора.

Ссылки

^ Р. Субе 2001 → [1] Проверено 12 февраля 2012 г.

[1] Р. Субе 2001 → [1] Проверено 12 февраля 2012 г.

[1]