Кольцевой черенковский детектор

Детектор Черенкова с кольцевой визуализацией , или RICH , представляет собой устройство для идентификации типа электрически заряженной субатомной частицы с известным импульсом , которая пересекает прозрачную преломляющую среду, путем измерения присутствия и характеристик черенковского излучения, испускаемого во время этого прохождения. Детекторы RICH были впервые разработаны в 1980-х годах и используются в экспериментах по изучению элементарных частиц высоких энергий , ядерных и астрофизики .

В этой статье описываются происхождение и принципы детектора RICH, с краткими примерами его различных форм в современных физических экспериментах.

Черенковский детектор кольцевой визуализации (RICH)

Происхождение

Техника обнаружения кольцевых изображений была впервые предложена Жаком Сегино и Томом Ипсилантисом , работавшими в ЦЕРН в 1977 году. ^[1] Их исследования и разработки высокоточных однофотонных детекторов и связанной с ними оптики закладывают основу для конструкции ^[2]^[3] разработка ^[4] и строительство первых крупномасштабных по физике элементарных частиц детекторов RICH ЦЕРН на объекте OMEGA . ^[5]^[6]^[7] и LEP ( Большой электрон-позитронный коллайдер ) эксперимент DELPHI . ^[8]

Принципы

Детектор Черенкова с кольцевым изображением (RICH) позволяет идентифицировать типы электрически заряженных субатомных частиц посредством обнаружения черенковского излучения, испускаемого (в виде фотонов ) частицей при прохождении среды с показателем преломления. $n$ > 1. Идентификация достигается измерением угла излучения, $\theta _{c}$ , черенковского излучения , связанного со скоростью заряженной частицы $v$ к

\cos \theta _{c}={\frac {c}{nv}}

где $c$ это скорость света.

и направления частицы Знание импульса (обычно доступное с помощью соответствующего импульсного спектрометра ) позволяет предсказать $v$ для каждой гипотезы типа частиц; используя известные $n$ радиатора RICH дает соответствующий прогноз $\theta _{c}$ которое можно сравнить с $\theta _{c}$ обнаруженных черенковских фотонов, что указывает на идентичность частицы (обычно как вероятность для каждого типа частицы). Типичное (смоделированное) распределение $\theta _{c}$ Зависимость импульса исходной частицы для одиночных черенковских фотонов, рожденных в газовом излучателе (n~1,0005, угловое разрешение~0,6мрад), показана на следующем рисунке:

Различные типы частиц следуют четким контурам постоянной массы, размытым эффективным угловым разрешением детектора RICH; при более высоких импульсах каждая частица испускает несколько черенковских фотонов, которые, вместе взятые, дают более точную меру среднего значения. $\theta _{c}$ чем одиночный фотон (см. рис. 3 ниже), что позволяет эффективному разделению частиц в этом примере выйти за рамки 100 ГэВ.Эта идентификация частиц необходима для детального понимания внутренней физики структуры и взаимодействий элементарных частиц. Суть метода кольцевой визуализации заключается в разработке оптической системы с однофотонными детекторами, способной изолировать черенковские фотоны, излучаемые каждой частицей, для формирования единого «кольцевого изображения», на основе которого можно получить точное изображение. $\theta _{c}$ можно определить.

Полярный график черенковских углов фотонов, связанных с частицей с энергией 22 ГэВ/с в излучателе с $n$ =1,0005 показано на фиг.2; и пион , и каон показаны ; протоны ниже черенковского порога, $c/nv>1$ , не производя в этом случае излучения (что также было бы очень четким сигналом типа частицы = протон, поскольку флуктуации числа фотонов подчиняются статистике Пуассона относительно ожидаемого среднего значения, так что вероятность, например, образования каона с энергией 22 ГэВ/с ноль фотонов, когда ожидалось ~12, очень мала ; ⁻¹² или 1 из 162755). Количество обнаруженных фотонов, показанное для каждого типа частиц, для иллюстрации представляет собой среднее значение для этого типа в RICH, имеющем $N_{c}$ ~ 25 (см. ниже). Распределение по азимуту случайное от 0 до 360 градусов; распространение в $\theta _{c}$ распространяется со среднеквадратичным угловым разрешением ~ 0,6 миллирадиан .

Обратите внимание, что, поскольку точки испускания фотонов могут находиться в любом месте (обычно прямой) траектории частицы через излучатель, вылетающие фотоны занимают в пространстве световой конус.

В детекторе RICH фотоны внутри этого светового конуса проходят через оптическую систему и попадают на позиционно-чувствительный детектор фотонов. При подходящей фокусировке оптической системы это позволяет восстановить кольцо, подобное кольцу, изображенному выше на рис.2, радиус которого дает меру черенковского угла излучения. $\theta _{c}$ .

Разрешающая способность этого метода иллюстрируется сравнением угла Черенкова на фотон (см. первый график, рис. 1 выше), со средним углом Черенкова на частицу (усредненным по всем фотонам, испускаемым этой частицей), полученным с помощью кольцевой визуализации, как показано на рисунке. на фиг.3; значительно улучшенное разделение между типами частиц очень четкое.

Оптическая точность и отклик

Эта способность системы RICH успешно разрешать различные гипотезы о типе частиц зависит от двух основных факторов, которые, в свою очередь, зависят от перечисленных подфакторов;

Эффективное угловое разрешение на фотон , $\sigma$ ${\ displaystyle \ сигма }$
- Хроматическая дисперсия в радиаторе ( $n$ зависит от частоты фотонов)
- Аберрации в оптической системе
- Позиционное разрешение детектора фотонов
Максимальное количество обнаруженных фотонов в кольце-изображении , $N_{c}$ $N_{c}$
- Длина радиатора, через который проходит частица
- Передача фотонов через материал радиатора
- Передача фотонов через оптическую систему
- Квантовая эффективность детекторов фотонов

$\sigma$ является мерой внутренней оптической точности детектора RICH. $N_{c}$ является мерой оптического отклика RICH; его можно рассматривать как предельный случай числа фактически обнаруженных фотонов, созданных частицей, скорость которой приближается к скорости света, усредненного по всем соответствующим траекториям частиц в детекторе RICH. Среднее количество обнаруженных черенковских фотонов для более медленной заряженной частицы $q$ (обычно ±1), испуская фотоны под углом $\theta _{c}$ тогда

N={\dfrac {N_{c}q^{2}\sin ^{2}(\theta _{c})}{1-{\dfrac {1}{n^{2}}}}}

и точность, с которой можно определить средний черенковский угол для этих фотонов, составляет примерно

\sigma _{m}={\frac {\sigma }{\sqrt {N}}}

к которому необходимо добавить угловую точность измеренного направления излучающей частицы в квадратуре, если она не является пренебрежимо малой по сравнению с $\sigma _{m}$ .

Идентификация частиц

Зная известный импульс излучающей частицы и показатель преломления излучателя, можно предсказать ожидаемый угол Черенкова для каждого типа частиц и рассчитать его отличие от наблюдаемого среднего угла Черенкова. Разделив эту разницу на $\sigma _{m}$ затем дает меру отклонения «числа сигм» гипотезы от наблюдения, которую можно использовать при вычислении вероятности или правдоподобия для каждой возможной гипотезы. На следующем рисунке 4 показано отклонение «числа сигм» каонной гипотезы от истинного изображения пионного кольца ( π не k ) и пионной гипотезы от истинного изображения каонного кольца ( k не π ) в зависимости от импульса. , для БОГАТЫХ с $n$ = 1.0005, $N_{c}$ = 25, $\sigma$ = 0,64 миллирадиана ;

Также показано среднее количество обнаруженных фотонов от пионов ( Ngπ ) или каонов ( Ngk ). Можно видеть, что способность RICH разделять два типа частиц превышает 4 сигма повсюду между порогом и 80 ГэВ/с, наконец, падая ниже 3 сигма примерно при 100 ГэВ.

Важно отметить, что этот результат получен для «идеального» детектора с однородным приемом и эффективностью, нормальным распределением ошибок и нулевым фоном. Конечно, такого детектора не существует, и в реальном эксперименте для объяснения этих эффектов фактически используются гораздо более сложные процедуры; принятие и эффективность, зависящие от позиции; негауссовы распределения ошибок; немаловажный и изменчивый фон, зависящий от событий. ^[9]^[10]

На практике для многочастичных конечных состояний, возникающих в типичном эксперименте на коллайдере отделение каонов от других адронов , наиболее важной целью RICH является в конечном состоянии, главным образом пионов. В этом контексте двумя наиболее важными функциями RICH, которые максимизируют сигнал и минимизируют комбинаторный фон, являются его способность правильно идентифицировать каон как каон и его способность не идентифицировать пион как каон . Соответствующие вероятности, которые являются обычными мерами обнаружения сигнала и подавления фона в реальных данных, изображены на рисунке 5 ниже, чтобы показать их изменение в зависимости от импульса (моделирование со случайным фоном 10%);

Обратите внимание, что уровень ошибочной идентификации ~ 30% π → k при 100 ГэВ по большей части обусловлен наличием 10% фоновых попаданий (фальшивых фотонов) в моделируемом детекторе; разделение на 3 сигмы в среднем черенковском угле (показанное на рис. 4 выше) само по себе может объяснить только около 6% ошибок идентификации. Более подробный анализ вышеуказанного типа для действующих детекторов RICH можно найти в опубликованной литературе.

Например, эксперимент LHCb в ЦЕРН изучает LHC, среди других распадов B-мезонов , особый процесс B ⁰ → п ⁺п ⁻. На следующем рис.6 слева показано π ⁺п ⁻ массовое распределение без идентификации RICH, где предполагается, что все частицы имеют π ; Б  ⁰ → п ⁺п ⁻ Интересный сигнал представляет собой бирюзовую пунктирную линию и полностью заглушен фоном из-за распадов B и Λ с участием каонов и протонов, а также комбинаторным фоном от частиц, не связанных с B. ⁰ разлагаться. ^[9]

Справа — те же данные с идентификацией RICH, используемой для отбора только пионов и отклонения каонов и протонов; Б  ⁰ → п ⁺п ⁻ сигнал сохраняется, но все фоны, связанные с каонами и протонами, значительно уменьшаются, так что общий B ⁰ сигнал/фон улучшился примерно в 6 раз, что позволяет гораздо точнее измерить процесс затухания.

БОГАТЫЕ типы

Используются как фокусирующие, так и бесконтактно-фокусировочные детекторы (рис.7). В фокусирующем детекторе RICH фотоны собираются сферическим зеркалом с фокусным расстоянием $f$ и фокусировался на детекторе фотонов, расположенном в фокальной плоскости. В результате получится круг радиусом $r=f\theta _{c}$ , независимо от точки эмиссии вдоль трека частицы ( $\theta _{c}\ll 1$ ). Эта схема подходит для излучателей с низким показателем преломления (т.е. газов) с большей длиной излучателя, необходимой для создания достаточного количества фотонов.

В более компактной конструкции с бесконтактной фокусировкой тонкий объем излучателя излучает конус черенковского света, который пересекает небольшое расстояние, бесконтактный зазор, и обнаруживается на плоскости детектора фотонов. Изображение представляет собой световое кольцо, радиус которого определяется черенковским углом свечения и расстоянием сближения. Толщина кольца в основном определяется толщиной радиатора. Примером детектора RICH с бесконтактным зазором является детектор High Momentum Particle Identification ( HMPID ), один из детекторов ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), который является одним из пяти экспериментов на LHC ( Большой адронный коллайдер ) в CERN .

В DIRC (обнаружение внутренне отраженного черенковского света, рис. 8), другой конструкции детектора RICH, свет, улавливаемый за счет полного внутреннего отражения внутри твердого излучателя, достигает датчиков света по периметру детектора, точное прямоугольное сечение излучатель, сохраняющий угловую информацию черенковского светового конуса. Одним из примеров является DIRC эксперимента BaBar в SLAC .

В эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере (рис.9) используются два детектора RICH для различения пионов и каонов . ^[11] Первый (RICH-1) расположен сразу после Vertex Locator (VELO) вокруг точки взаимодействия и оптимизирован для частиц с низким импульсом, а второй (RICH-2) расположен после слоев магнита и трекера частиц и оптимизирован для частицы с более высоким импульсом. ^[9]

Прибор Альфа-магнитный спектрометр AMS-02, рис.10, недавно установленный на Международной космической станции, использует детектор RICH в сочетании с другими приборами для анализа космических лучей .

Ссылки

^ Сегино, Ж.; Ипсилантис, Т. (1977). «Фотоионизация и черенковские кольца». Ядерные приборы и методы . 142 (3): 377–391. Бибкод : 1977NucIM.142..377S . дои : 10.1016/0029-554X(77)90671-1 .
^ Уильямс, Ш.; Лейт, DWGS; Поппе, М.; Ипсилантис, Т. (1980). «Оценка детекторов для камеры черенковского кольца» (PDF) . Транзакции IEEE по ядерной науке . 27 (1): 91–95. Бибкод : 1980ITNS...27...91W . дои : 10.1109/TNS.1980.4330809 . S2CID 17665647 .
^ Экелёф, Т.; Сегино, Ж.; Токвиль, Дж.; Ипсилантис, Т. (1981). «Детектор кольцевой визуализации Черенкова: последние достижения и будущее развитие» . Физика Скрипта . 23 (4Б): 718–726. Бибкод : 1981PhyS...23..718E . дои : 10.1088/0031-8949/23/4B/023 . S2CID 250820266 .
^ Гласс, Х.; и др. (1985). «Идентификация адронов с высоким поперечным импульсом с помощью черенковского счетчика с кольцевой визуализацией» . IEEE Транс. Нукл. Наука . НС-32 (1): 692–696. Бибкод : 1985ИТНС...32..692Г . дои : 10.1109/TNS.1985.4336924 . S2CID 42580412 .
^ ЦЕРН-97-02; В.Беуш (1997) стр.23 в Омега-спектрометр ЦЕРН: 25 лет физики ,Джейкоб, Морис Рене Мишель (редактор) (ЦЕРН); Керси, Эмануэле (редактор) (ЦЕРН), https://cds.cern.ch/record/330556
^ В 1972 году в Западном районе был введен в эксплуатацию спектрометр ОМЕГА и в тот же первый год было зафиксировано более миллиона столкновений . 1972.
^ Апсимон, Р.Дж.; и др. (1986). «Недавние эксплуатационные характеристики детектора Черенкова омега-кольца ЦЕРН» . Транзакции IEEE по ядерной науке . 33 (1): 122–131. Бибкод : 1986ИТНС...33..122А . дои : 10.1109/TNS.1986.4337063 . S2CID 18645695 .
^ Арнольд, Р.; и др. (1988). «Черенковский детектор кольцевой визуализации, прототип DELPHI Barrel RICH». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 270 (2–3): 255–288. Бибкод : 1988NIMPA.270..255A . дои : 10.1016/0168-9002(88)90695-X .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Адинолфи, М.; и др. (2013). «Работа детектора LHCb RICH на БАКе» . Европейский физический журнал C . 73 (5): 2431. arXiv : 1211.6759 . Бибкод : 2013EPJC...73.2431A . doi : 10.1140/epjc/s10052-013-2431-9 . ПМК 4371097 . ПМИД 25814859 .
^ Уилкинсон, Г. (2008). «В поисках колец: подходы к поиску и реконструкции черенковских колец в физике высоких энергий». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 595 (1): 228–232. Бибкод : 2008NIMPA.595..228W . дои : 10.1016/j.nima.2008.07.066 .
^ Алвес, А.А. младший; и др. (Сотрудничество LHCb) (2008). «Детектор LHCb на БАКе». Журнал приборостроения . 3 (8): S08005. Бибкод : 2008JInst...3S8005L . дои : 10.1088/1748-0221/3/08/S08005 . HDL : 10251/54510 . S2CID 250673998 .

[1] Сегино, Ж.; Ипсилантис, Т. (1977). «Фотоионизация и черенковские кольца». Ядерные приборы и методы . 142 (3): 377–391. Бибкод : 1977NucIM.142..377S . дои : 10.1016/0029-554X(77)90671-1 .

[2] Уильямс, Ш.; Лейт, DWGS; Поппе, М.; Ипсилантис, Т. (1980). «Оценка детекторов для камеры черенковского кольца» (PDF) . Транзакции IEEE по ядерной науке . 27 (1): 91–95. Бибкод : 1980ITNS...27...91W . дои : 10.1109/TNS.1980.4330809 . S2CID 17665647 .

[3] Экелёф, Т.; Сегино, Ж.; Токвиль, Дж.; Ипсилантис, Т. (1981). «Детектор кольцевой визуализации Черенкова: последние достижения и будущее развитие» . Физика Скрипта . 23 (4Б): 718–726. Бибкод : 1981PhyS...23..718E . дои : 10.1088/0031-8949/23/4B/023 . S2CID 250820266 .

[4] Гласс, Х.; и др. (1985). «Идентификация адронов с высоким поперечным импульсом с помощью черенковского счетчика с кольцевой визуализацией» . IEEE Транс. Нукл. Наука . НС-32 (1): 692–696. Бибкод : 1985ИТНС...32..692Г . дои : 10.1109/TNS.1985.4336924 . S2CID 42580412 .

[5] ЦЕРН-97-02; В.Беуш (1997) стр.23 в Омега-спектрометр ЦЕРН: 25 лет физики ,Джейкоб, Морис Рене Мишель (редактор) (ЦЕРН); Керси, Эмануэле (редактор) (ЦЕРН), https://cds.cern.ch/record/330556

[6] В 1972 году в Западном районе был введен в эксплуатацию спектрометр ОМЕГА и в тот же первый год было зафиксировано более миллиона столкновений . 1972.

[7] Апсимон, Р.Дж.; и др. (1986). «Недавние эксплуатационные характеристики детектора Черенкова омега-кольца ЦЕРН» . Транзакции IEEE по ядерной науке . 33 (1): 122–131. Бибкод : 1986ИТНС...33..122А . дои : 10.1109/TNS.1986.4337063 . S2CID 18645695 .

[8] Арнольд, Р.; и др. (1988). «Черенковский детектор кольцевой визуализации, прототип DELPHI Barrel RICH». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 270 (2–3): 255–288. Бибкод : 1988NIMPA.270..255A . дои : 10.1016/0168-9002(88)90695-X .

[Adinolfi-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с Адинолфи, М.; и др. (2013). «Работа детектора LHCb RICH на БАКе» . Европейский физический журнал C . 73 (5): 2431. arXiv : 1211.6759 . Бибкод : 2013EPJC...73.2431A . doi : 10.1140/epjc/s10052-013-2431-9 . ПМК 4371097 . ПМИД 25814859 .

[10] Уилкинсон, Г. (2008). «В поисках колец: подходы к поиску и реконструкции черенковских колец в физике высоких энергий». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 595 (1): 228–232. Бибкод : 2008NIMPA.595..228W . дои : 10.1016/j.nima.2008.07.066 .

[11] Алвес, А.А. младший; и др. (Сотрудничество LHCb) (2008). «Детектор LHCb на БАКе». Журнал приборостроения . 3 (8): S08005. Бибкод : 2008JInst...3S8005L . дои : 10.1088/1748-0221/3/08/S08005 . HDL : 10251/54510 . S2CID 250673998 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]