En física de partículas , un detector hermético (también llamado detector 4π ) es un detector de partículas diseñado para observar todos los posibles productos de desintegración de una interacción entre partículas subatómicas en un colisionador cubriendo un área lo más grande posible alrededor del punto de interacción e incorporando múltiples tipos. de subdetectores. Por lo general, son aproximadamente cilíndricos, con diferentes tipos de detectores envueltos entre sí en capas concéntricas; cada tipo de detector se especializa en partículas particulares de modo que casi cualquier partícula sea detectada e identificada. Estos detectores se denominan " herméticos"porque están construidos para que el movimiento de las partículas se detenga en los límites de la cámara sin que se muevan más allá debido a los sellos ; [1] el nombre" detector 4π "proviene del hecho de que dichos detectores están diseñados para cubrir casi todos de los 4π estereorradianes de ángulo sólido alrededor del punto de interacción; en términos del sistema de coordenadas estándar utilizado en la física de colisionadores, esto es equivalente a la cobertura de todo el rango de ángulo azimutal () y pseudorapidez (). En la práctica, las partículas con pseudorapidez por encima de un cierto umbral no se pueden medir, ya que son demasiado paralelas a la línea de luz y, por tanto, pueden pasar a través del detector. Este límite en los rangos de pseudorapidez que se pueden observar forma parte de la aceptación del detector (es decir, el rango de espacio de fase que es capaz de observar); En términos generales, el principal objetivo de diseño de un detector hermético es maximizar la aceptación, es decir, asegurar que el detector sea capaz de medir una región de espacio de fase tan grande como sea posible.
El primer detector de este tipo fue el Mark I en el Stanford Linear Accelerator Center , y el diseño básico se ha utilizado para todos los detectores de colisionadores posteriores. Antes de la construcción del Mark I, se pensaba que la mayoría de los productos de desintegración de partículas tendrían un momento transversal relativamente bajo (es decir, un momento perpendicular a la línea de luz ), por lo que los detectores podrían cubrir solo esta área. Sin embargo, en el Mark I y en experimentos posteriores se aprendió que la mayoría de las interacciones fundamentales de las partículas en los colisionadores implican grandes intercambios de energía y, por lo tanto, los grandes momentos transversales no son infrecuentes; por esta razón, una gran cobertura angular es fundamental para la física de partículas moderna.
Los detectores herméticos más recientes incluyen los detectores CDF y DØ en el acelerador Tevatron de Fermilab , así como los detectores ATLAS y CMS en el LHC del CERN . Estas máquinas tienen una construcción hermética porque son detectores de uso general, lo que significa que pueden estudiar una amplia gama de fenómenos en la física de altas energías. Los detectores más especializados no necesariamente tienen una construcción hermética; por ejemplo, LHCb cubre solo la región directa (alta pseudorapidez), porque corresponde a la región del espacio de fase de mayor interés para su programa de física.
Componentes
Hay tres componentes principales de un detector hermético. De adentro hacia afuera, el primero es un rastreador , que mide el impulso de las partículas cargadas a medida que se curvan en un campo magnético . A continuación, hay uno o más calorímetros , que miden la energía de las partículas más cargadas y neutrales absorbiéndolas en material denso, y un sistema de muones que mide el único tipo de partícula que no se detiene a través de los calorímetros y que aún puede detectarse. Cada componente puede tener varios subcomponentes especializados diferentes.
Rastreadores
El campo magnético del detector hace que la partícula gire acelerándola en una dirección perpendicular a su movimiento a través de la fuerza de Lorentz . El sistema de seguimiento traza la hélice trazada por una partícula tan cargada mientras viaja a través de un campo magnético al localizarla en el espacio en capas finamente segmentadas de material de detección, generalmente silicio . El radio de curvatura de la partícula. es proporcional a su momento perpendicular a la viga (es decir, momento transversal o ) según la fórmula (dónde es la carga de la partícula y es la inducción magnética ), mientras que el grado en que se desplaza en la dirección del eje del haz da su impulso en esa dirección.
Calorimetros
Los calorímetros ralentizan las partículas y absorben su energía en un material, lo que permite medir esa energía. A menudo se dividen en dos tipos: el calorímetro electromagnético que se especializa en absorber partículas que interactúan electromagnéticamente y el calorímetro hadrónico que puede detectar hadrones , que interactúan a través de la fuerza nuclear fuerte . En particular, se requiere un detector hadrónico para detectar partículas neutras pesadas .
Sistema de muones
De todas las partículas estables conocidas, solo los muones y neutrinos atraviesan el calorímetro sin perder la mayor parte o la totalidad de su energía. Los neutrinos no se pueden observar directamente en los experimentos de colisionadores debido a su sección transversal de interacción extremadamente pequeña con la materia hadrónica (como la del detector), y su existencia debe inferirse de la llamada energía "faltante" (transversal) que se calcula una vez que se tienen en cuenta todas las demás partículas del evento. Sin embargo, los muones (que están cargados) pueden medirse mediante un sistema de seguimiento adicional fuera de los calorímetros.
Identificación de partículas
La mayoría de las partículas tienen combinaciones únicas de señales que quedan en cada subsistema del detector, lo que permite identificar diferentes partículas. Por ejemplo, un electrón se carga e interactúa electromagnéticamente, por lo que el rastreador lo rastrea y luego deposita toda su energía en el calorímetro (electromagnético). Por el contrario, un fotón es neutro e interactúa electromagnéticamente, por lo que deposita su energía en el calorímetro sin dejar rastro.
Ver también
- Experimento ATLAS , para una descripción detallada de dicho detector.
- Solenoide compacto de muón , para una descripción bien ilustrada de otro detector de este tipo.
Referencias
- ^ R. Sube 2001 → [1] Consultado el 12 de febrero de 2012.