Detector Cherenkov de imagem de anel - Ring-imaging Cherenkov detector

O detector de imagem em anel Cherenkov , ou RICH , é um dispositivo para identificar o tipo de partícula subatômica eletricamente carregada de momento conhecido , que atravessa um meio refrativo transparente , medindo a presença e as características da radiação Cherenkov emitida durante essa travessia. Os detectores RICH foram desenvolvidos pela primeira vez na década de 1980 e são usados ​​em experimentos de partículas elementares de alta energia -, nucleares - e astrofísicas .

Este artigo descreve as origens e os princípios do detector RICH, com breves exemplos de suas diferentes formas em experimentos de física moderna.

Detector Cherenkov (RICH) de imagem de anel

Origens

A técnica de detecção de imagem em anel foi proposta pela primeira vez por Jacques Séguinot e Tom Ypsilantis , trabalhando no CERN em 1977. Sua pesquisa e desenvolvimento, de detectores de fóton único de alta precisão e ópticas relacionadas, lançam as bases para o desenvolvimento do projeto e construção do primeiro Detectores RICH de física de partículas em grande escala , nas instalações OMEGA do CERN e no experimento DELPHI do LEP ( Large Electron-Positron Collider ) .

Princípios

Um detector Cherenkov de imagem em anel (RICH) permite a identificação de tipos de partículas subatômicas eletricamente carregadas através da detecção da radiação Cherenkov emitida (como fótons ) pela partícula ao atravessar um meio com índice de refração > 1. A identificação é obtida pela medição de o ângulo de emissão, da radiação Cherenkov , que está relacionado com a velocidade da partícula carregada por ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle \ theta _ {c}}$${\ displaystyle v}$

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

onde está a velocidade da luz. ${\ displaystyle c}$

O conhecimento do momento e da direção da partícula (normalmente disponível em um espectrômetro de momento associado ) permite uma previsão para cada hipótese do tipo de partículas; usando o conhecido do radiador RICH dá uma previsão correspondente de que pode ser comparado com o dos fótons Cherenkov detectados, indicando assim a identidade da partícula (geralmente como uma probabilidade por tipo de partícula). Uma distribuição típica (simulada) de vs momento da partícula fonte, para fótons Cherenkov únicos, produzidos em um radiador gasoso (n ~ 1,0005, resolução angular ~ 0,6mrad) é mostrada na figura a seguir: ${\ displaystyle v}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle \ theta _ {c}}$${\ displaystyle \ theta _ {c}}$${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

Ângulo Cherenkov vs Momentum

Os diferentes tipos de partículas seguem contornos distintos de massa constante, manchados pela resolução angular efetiva do detector RICH; em momentos mais altos, cada partícula emite um número de fótons Cherenkov que, juntos, fornecem uma medida mais precisa da média do que um único fóton, permitindo que a separação efetiva de partículas se estenda além de 100 GeV neste exemplo. Essa identificação de partículas é essencial para o entendimento detalhado da física intrínseca da estrutura e das interações das partículas elementares. A essência do método de imagem em anel é conceber um sistema óptico com detectores de fóton único, que pode isolar os fótons Cherenkov que cada partícula emite, para formar uma única "imagem de anel" a partir da qual uma precisão pode ser determinada. ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

Um gráfico polar dos ângulos Cherenkov dos fótons associados a uma partícula de 22 GeV / c em um radiador com = 1,0005 é mostrado abaixo; tanto o píon quanto o kaon são ilustrados; os prótons estão abaixo do limite de Cherenkov, não produzindo radiação neste caso (o que também seria um sinal muito claro do tipo de partícula = próton, uma vez que as flutuações no número de fótons seguem as estatísticas de Poisson sobre a média esperada, de modo que a probabilidade de, por exemplo, um 22 GeV / c kaon produzindo zero fótons quando ~ 12 eram esperados é muito pequeno; e ^-12 ou 1 em 162755) O número de fótons detectados mostrado para cada tipo de partícula é, para fins de ilustração, a média para esse tipo em um RICH tendo ~ 25 (veja abaixo). A distribuição em azimute é aleatória entre 0 e 360 ​​graus; a distribuição é espalhada com resolução angular RMS ~ 0,6 milirradianos . ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle c / nv> 1}$${\ displaystyle N_ {c}}$${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

Fótons Cherenkov emitidos por um píon de 22 GeV / c ou kaon

Observe que, como os pontos de emissão dos fótons podem estar em qualquer lugar na trajetória (normalmente em linha reta) da partícula através do radiador, os fótons emergentes preenchem um cone de luz no espaço.

Em um detector RICH, os fótons dentro desse cone de luz passam por um sistema óptico e colidem com um detector de fótons sensível à posição. Com um sistema óptico de foco adequado, isso permite a reconstrução de um anel, semelhante ao anterior, cujo raio fornece uma medida do ângulo de emissão de Cherenkov . O poder de resolução deste método é ilustrado comparando o ângulo Cherenkov por fóton , veja o primeiro gráfico acima, com o ângulo Cherenkov médio por partícula (média de todos os fótons emitidos por aquela partícula) obtido por imagem em anel, mostrado abaixo; a separação altamente aprimorada entre os tipos de partículas é muito clara: ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

Ângulo médio de Cherenkov por partícula vs momento

Esta habilidade de um sistema RICH de resolver com sucesso diferentes hipóteses para o tipo de partícula depende de dois fatores principais, que por sua vez dependem dos subfatores listados;

• A resolução angular efetiva por fóton, ${\ displaystyle \ sigma}$
  • Dispersão cromática no radiador ( varia com a frequência de fótons)${\ displaystyle n}$
  • Aberrações no sistema óptico
  • Resolução de posição do detector de fótons
• O número máximo de fótons detectados na imagem em anel, ${\ displaystyle N_ {c}}$
  • O comprimento do radiador através do qual a partícula viaja
  • Transmissão de fótons através do material do radiador
  • Transmissão de fótons através do sistema óptico
  • Eficiência quântica dos detectores de fótons

${\ displaystyle \ sigma}$é uma medida da precisão óptica intrínseca do detector RICH. é uma medida da resposta óptica do RICH; pode ser pensado como o caso limite do número de fótons realmente detectados produzidos por uma partícula cuja velocidade se aproxima da da luz, calculada em média sobre todas as trajetórias de partículas relevantes no detector RICH. O número médio de fótons Cherenkov detectados, para uma partícula mais lenta, de carga (normalmente ± 1), emitindo fótons em ângulo é então ${\ displaystyle N_ {c}}$${\ displaystyle q}$${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

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

e a precisão com a qual o ângulo médio de Cherenkov pode ser determinado com esses fótons é de aproximadamente

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

ao qual a precisão angular da direção medida da partícula emissora deve ser adicionada em quadratura, se não for desprezível em comparação com . ${\ displaystyle \ sigma _ {m}}$

Dado o momento conhecido da partícula emissora e o índice de refração do radiador, o ângulo de Cherenkov esperado para cada tipo de partícula pode ser previsto, e sua diferença em relação ao ângulo de Cherenkov médio observado, calculado. Dividir essa diferença por então dá uma medida do desvio 'número de sigma' da hipótese da observação, que pode ser usada no cálculo de uma probabilidade ou probabilidade para cada hipótese possível. A figura a seguir mostra o desvio 'número de sigma' da hipótese kaon de uma imagem do anel píon verdadeiro ( π não k ) e da hipótese do píon de uma imagem do anel kaon verdadeiro ( k não π ), em função do momento, para um RICH com = 1,0005, = 25, = 0,64 milirradianos ; ${\ displaystyle \ sigma _ {m}}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle N_ {c}}$${\ displaystyle \ sigma}$

Separação Pion-Kaon Nsigma

Também é mostrado o número médio de fótons detectados de píons ( Ngπ ) ou de kaons ( Ngk ). Pode-se ver que a capacidade do RICH de separar os dois tipos de partícula excede 4-sigma em qualquer lugar entre o limite e 80 GeV / c, finalmente caindo abaixo de 3-sigma em cerca de 100 GeV. É importante notar que este resultado é para um detector 'ideal', com aceitação e eficiência homogêneas, distribuições normais de erro e fundo zero. Esse detector não existe, é claro, e em um experimento real procedimentos muito mais sofisticados são usados ​​para explicar esses efeitos; aceitação e eficiência dependentes da posição; distribuições de erro não gaussianas; fundos não desprezíveis e variáveis ​​dependentes de eventos.

Na prática, para os estados finais multipartículas produzidos em um experimento típico de colisor , a separação de kaons de outros hádrons de estado final , principalmente píons, é o objetivo mais importante do RICH. Nesse contexto, as duas funções RICH mais vitais, que maximizam o sinal e minimizam os fundos combinatórios, são sua capacidade de identificar corretamente um kaon como um kaon e sua capacidade de não identificar erroneamente um pion como um kaon . As probabilidades relacionadas, que são as medidas usuais de detecção de sinal e rejeição de fundo em dados reais, são plotadas abaixo para mostrar sua variação com o momento (simulação com fundo aleatório de 10%);

Gráfico de identificação Kaon

Observe que a taxa de identificação incorreta de ~ 30% π → k em 100 GeV é, na maior parte, devido à presença de 10% de acertos de fundo (fótons falsos) no detector simulado; a separação 3-sigma no ângulo médio de Cherenkov (mostrado no 4º gráfico acima) seria, por si só, responsável por cerca de 6% de identificação incorreta. Análises mais detalhadas do tipo acima, para detectores RICH operacionais, podem ser encontradas na literatura publicada.

Por exemplo, o experimento LHCb nos estudos do CERN LHC, entre outros decaimentos do mesão B , o processo particular B ⁰ → π ⁺ π ^- . A figura a seguir mostra, à esquerda, a π ⁺ π ^- distribuição de massa sem identificação RICH, onde todas as partículas são assumidas como π  ; o B ⁰ → π ⁺ π ^- sinal de interesse é a linha pontilhada turquesa e é completamente inundado pelo fundo devido aos decaimentos B e Λ envolvendo kaons e prótons, e fundo combinatório de partículas não associadas ao decaimento B ⁰ .

LHCb RICH Btoππ

À direita estão os mesmos dados com identificação RICH usados ​​para selecionar apenas píons e rejeitar kaons e prótons; o B ⁰ → π ⁺ π ^{- o} sinal é preservado, mas todos os fundos relacionados a kaon e prótons são bastante reduzidos, de modo que o sinal / fundo B ⁰ geral melhorou por um fator ~ 6, permitindo uma medição muito mais precisa do processo de decaimento .

Tipos RICH

focagem e projetos RICH de imagem de proximidade

Ambos os detectores de foco e foco de proximidade estão em uso. Em um detector de focagem RICH, os fótons são coletados por um espelho esférico com comprimento focal e focados no detector de fótons colocado no plano focal. O resultado é um círculo com um raio , independente do ponto de emissão ao longo da trilha da partícula ( ). Este esquema é adequado para radiadores de baixo índice de refração (ou seja, gases) com seu comprimento de radiador maior necessário para criar fótons suficientes. ${\ displaystyle f}$${\ displaystyle r = f \ theta _ {c}}$${\ displaystyle \ theta _ {c} \ ll 1}$

No design de foco de proximidade mais compacto, um volume de radiador fino emite um cone de luz Cherenkov que atravessa uma pequena distância, a lacuna de proximidade, e é detectado no plano do detector de fótons. A imagem é um anel de luz cujo raio é definido pelo ângulo de emissão Cherenkov e a lacuna de proximidade. A espessura do anel é determinada principalmente pela espessura do radiador. Um exemplo de detector RICH de lacuna de proximidade é o High Momentum Particle Identification ( HMPID ), um dos detectores do ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), que é um dos cinco experimentos do LHC ( Large Hadron Collider ) do CERN .

Detector DIRC

Em um DIRC (Detecção de luz Cherenkov refletida internamente), outro projeto de um detector RICH, a luz que é capturada por reflexão interna total dentro do radiador sólido atinge os sensores de luz no perímetro do detector, a seção transversal retangular precisa do radiador preservando o informação angular do cone de luz Cherenkov. Um exemplo é o DirC do BaBar experimento em SLAC .

Detector LHCb

O experimento LHCb no Large Hadron Collider usa dois detectores RICH para diferenciar entre píons e kaons . O primeiro (RICH-1) está localizado imediatamente após o Localizador de Vértices (VELO) em torno do ponto de interação e é otimizado para partículas de baixo momento e o segundo (RICH-2) está localizado após o ímã e camadas rastreadoras de partículas e otimizado para partículas de maior momento.

AMS-02

O dispositivo Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02, recentemente montado na Estação Espacial Internacional, usa um detector RICH em combinação com outros dispositivos para analisar os raios cósmicos .

Referências