Detector hermético - Hermetic detector
Na física de partículas , um detector hermético (também chamado de detector 4π ) é um detector de partículas projetado para observar todos os produtos de decaimento possíveis de uma interação entre partículas subatômicas em um colisor , cobrindo a maior área possível ao redor do ponto de interação e incorporando vários tipos de sub-detectores. Eles são tipicamente cilíndricos, com diferentes tipos de detectores enrolados em camadas concêntricas; cada tipo de detector é especializado em partículas particulares, de modo que quase todas as partículas são detectadas e identificadas. Esses detectores são chamados de " herméticos " porque são construídos de modo que o movimento das partículas cessa nos limites da câmara, sem qualquer movimento além devido aos selos ; o nome "4π detector" vem do fato de que esses detectores são projetados para cobrir quase todos os 4n esferorradiano de ângulo sólido em torno do ponto de interação; em termos do sistema de coordenadas padrão usado na física do colisor, isso é equivalente à cobertura de toda a faixa de ângulo azimutal ( ) e pseudorapidez ( ). Na prática, as partículas com pseudo-rapidez acima de um certo limite não podem ser medidas, uma vez que são quase paralelas à linha de luz e, portanto, podem passar pelo detector. Este limite nas faixas de pseudo-rapidez que podem ser observadas faz parte da aceitação do detector (ou seja, a faixa de espaço de fase que ele é capaz de observar); Em termos gerais, o principal objetivo do projeto de um detector hermético é maximizar a aceitação, ou seja, garantir que o detector seja capaz de medir a maior região possível do espaço de fase.
O primeiro detector foi o Mark I no Stanford Linear Accelerator Center , e o projeto básico foi usado para todos os detectores de colisor subsequentes. Antes da construção do Mark I, pensava-se que a maioria dos produtos de decaimento das partículas teria um momento transversal relativamente baixo (ou seja, momento perpendicular à linha de luz ), de modo que os detectores poderiam cobrir apenas esta área. No entanto, foi aprendido no Mark I e em experimentos subsequentes que a maioria das interações de partículas fundamentais em aceleradores envolvem grandes trocas de energia e, portanto, grandes momentos transversais não são incomuns; por esse motivo, uma grande cobertura angular é crítica para a física de partículas moderna.
Os detectores herméticos mais recentes incluem os detectores CDF e DØ no acelerador Tevatron do Fermilab , bem como os detectores ATLAS e CMS no LHC do CERN . Essas máquinas têm uma construção hermética porque são detectores de uso geral, o que significa que são capazes de estudar uma ampla gama de fenômenos da física de alta energia. Os detectores mais especializados não têm necessariamente uma construção hermética; por exemplo, LHCb cobre apenas a região direta (alta pseudorapidez), porque esta corresponde à região do espaço de fase de maior interesse para seu programa de física.
Componentes
Existem três componentes principais de um detector hermético. De dentro para fora, o primeiro é um rastreador , que mede o momento das partículas carregadas conforme elas se curvam em um campo magnético . Em seguida, há um ou mais calorímetros , que medem a energia da maioria das partículas carregadas e neutras , absorvendo-as em material denso, e um sistema de múon que mede o tipo de partícula que não é interrompida pelos calorímetros e ainda pode ser detectada. Cada componente pode ter vários subcomponentes especializados diferentes.
Trackers
O campo magnético do detector faz com que a partícula gire, acelerando-a em uma direção perpendicular ao seu movimento por meio da força de Lorentz . O sistema de rastreamento traça a hélice traçada por uma partícula carregada conforme ela viaja através de um campo magnético, localizando-a no espaço em camadas finamente segmentadas de material de detecção, geralmente silício . O raio de curvatura da partícula é proporcional ao seu momento perpendicular ao feixe (ou seja, momento transversal ou ) de acordo com a fórmula (onde é a carga da partícula e é a indução magnética ), enquanto o grau em que ela deriva na direção do feixe eixo dá seu impulso nessa direção.
Calorímetros
Calorímetros desaceleram as partículas e absorvem sua energia em um material, permitindo que essa energia seja medida. Eles costumam ser divididos em dois tipos: o calorímetro eletromagnético, especializado em absorver partículas que interagem eletromagneticamente , e o calorímetro hadrônico, que pode detectar hádrons , que interagem por meio da força nuclear forte . Um detector hadrônico é necessário em particular para detectar partículas neutras pesadas .
Sistema de muon
De todas as partículas estáveis conhecidas, apenas múons e neutrinos passam pelo calorímetro sem perder a maior parte ou toda a sua energia. Neutrinos não podem ser observados diretamente em experimentos de colisor devido à sua seção transversal extremamente pequena de interação com a matéria hadrônica (como o detector é feito), e sua existência deve ser inferida da chamada energia "ausente" (transversal) que é calculada uma vez que todas as outras partículas no evento são contabilizadas. No entanto, múons (que são carregados) podem ser medidos por um sistema de rastreamento adicional fora dos calorímetros.
Identificação de partículas
A maioria das partículas tem combinações únicas de sinais deixados em cada subsistema detector, permitindo que diferentes partículas sejam identificadas. Por exemplo, um elétron é carregado e interage eletromagneticamente, então ele é rastreado pelo rastreador e então deposita toda a sua energia no calorímetro (eletromagnético). Em contraste, um fóton é neutro e interage eletromagneticamente, de forma que deposita sua energia no calorímetro sem deixar rastros.
Veja também
- Experiência ATLAS , para uma descrição detalhada de tal detector.
- Compact Muon Solenóide , para uma descrição bem ilustrada de outro detector.