El detector de imágenes en anillo Cherenkov , o RICH , es un dispositivo para identificar el tipo de partícula subatómica cargada eléctricamente de momento conocido , que atraviesa un medio refractivo transparente , mediante la medición de la presencia y las características de la radiación Cherenkov emitida durante ese recorrido. Los detectores RICH se desarrollaron por primera vez en la década de 1980 y se utilizan en experimentos de partículas elementales , nucleares y astrofísicas de alta energía .
Este artículo describe los orígenes y principios del detector RICH, con breves ejemplos de sus diferentes formas en experimentos de física moderna.
Detector de imágenes en anillo Cherenkov (RICH)
Orígenes
La técnica de detección de imágenes en anillo fue propuesta por primera vez por Jacques Séguinot y Tom Ypsilantis , que trabajaban en el CERN en 1977. [1] Su investigación y desarrollo, de detectores de fotón único de alta precisión y ópticas relacionadas, sienta las bases para el diseño [2] [3] desarrollo [4] y construcción de los primeros detectores RICH de Física de Partículas a gran escala , en las instalaciones OMEGA del CERN [5] [6] y el experimento DELPHI LEP ( Large Electron-Positron Collider ) . [7]
Principios
Un detector Cherenkov (RICH) de imagen en anillo permite la identificación de tipos de partículas subatómicas cargadas eléctricamente mediante la detección de la radiación Cherenkov emitida (como fotones ) por la partícula al atravesar un medio con índice de refracción. > 1. La identificación se logra midiendo el ángulo de emisión, , de la radiación de Cherenkov , que está relacionada con la velocidad de la partícula cargada por
dónde es la velocidad de la luz.
El conocimiento del momento y la dirección de la partícula (normalmente disponible en un espectrómetro de momento asociado ) permite una predicciónpara cada hipótesis del tipo de partículas; usando el conocido del radiador RICH da una predicción correspondiente de que se puede comparar con el de los fotones de Cherenkov detectados, lo que indica la identidad de la partícula (generalmente como una probabilidad por tipo de partícula). Una distribución típica (simulada) de vs momento de la partícula fuente, para fotones de Cherenkov individuales, producidos en un radiador gaseoso (n ~ 1.0005, resolución angular ~ 0.6mrad) se muestra en la siguiente figura:
Los diferentes tipos de partículas siguen distintos contornos de masa constante, manchados por la resolución angular efectiva del detector RICH; en momentos más altos, cada partícula emite una serie de fotones de Cherenkov que, tomados en conjunto, dan una medida más precisa del promedioque un solo fotón, lo que permite que la separación efectiva de partículas se extienda más allá de 100 GeV en este ejemplo. Esta identificación de partículas es esencial para la comprensión detallada de la física intrínseca de la estructura y las interacciones de las partículas elementales. La esencia del método de formación de imágenes en anillo es diseñar un sistema óptico con detectores de fotón único, que pueda aislar los fotones de Cherenkov que emite cada partícula, para formar una sola "imagen en anillo" a partir de la cual se obtenga una precisión puede ser determinado.
Un diagrama polar de los ángulos de Cherenkov de fotones asociados con una partícula de 22 GeV / c en un radiador con = 1.0005 se muestra a continuación; se ilustran tanto pion como kaon ; los protones están por debajo del umbral de Cherenkov,, no produce radiación en este caso (que también sería una señal muy clara de tipo de partícula = protón, ya que las fluctuaciones en el número de fotones siguen las estadísticas de Poisson sobre la media esperada, de modo que la probabilidad de, por ejemplo, un kaón de 22 GeV / c produciendo cero fotones cuando se esperaban ~ 12 es muy pequeño; e −12 o 1 en 162755) El número de fotones detectados que se muestra para cada tipo de partícula es, con fines ilustrativos, el promedio para ese tipo en un RICH que tiene~ 25 (ver más abajo). La distribución en azimut es aleatoria entre 0 y 360 grados; la distribución ense extiende con una resolución angular RMS de ~ 0,6 milirradianes .
Tenga en cuenta que, debido a que los puntos de emisión de los fotones pueden estar en cualquier lugar de la trayectoria (normalmente en línea recta) de la partícula a través del radiador, los fotones emergentes llenan un cono de luz en el espacio.
En un detector RICH, los fotones dentro de este cono de luz pasan a través de un sistema óptico e inciden sobre un detector de fotones sensible a la posición. Con un sistema óptico de enfoque adecuado, esto permite la reconstrucción de un anillo, similar al anterior, cuyo radio da una medida del ángulo de emisión de Cherenkov.. El poder de resolución de este método se ilustra comparando el ángulo de Cherenkov por fotón , ver el primer gráfico de arriba, con el ángulo de Cherenkov medio por partícula (promediado sobre todos los fotones emitidos por esa partícula) obtenido por imagen de anillo, que se muestra a continuación; la separación muy mejorada entre los tipos de partículas es muy clara:
Esta capacidad de un sistema RICH para resolver con éxito diferentes hipótesis para el tipo de partícula depende de dos factores principales, que a su vez dependen de los subfactores enumerados;
- La resolución angular efectiva por fotón,
- Dispersión cromática en el radiador ( varía con la frecuencia de los fotones)
- Aberraciones en el sistema óptico
- Resolución de posición del detector de fotones
- El número máximo de fotones detectados en la imagen del anillo,
- La longitud del radiador a través del cual viaja la partícula.
- Transmisión de fotones a través del material del radiador.
- Transmisión de fotones a través del sistema óptico.
- Eficiencia cuántica de los detectores de fotones
es una medida de la precisión óptica intrínseca del detector RICH. es una medida de la respuesta óptica del RICH; se puede considerar como el caso límite del número de fotones realmente detectados producidos por una partícula cuya velocidad se acerca a la de la luz, promediada sobre todas las trayectorias de partículas relevantes en el detector RICH. El número medio de fotones de Cherenkov detectados, para una partícula más lenta, de carga. (normalmente ± 1), emitiendo fotones en ángulo es entonces
y la precisión con la que se puede determinar el ángulo de Cherenkov medio con estos fotones es aproximadamente
a lo que la precisión angular de la dirección medida de la partícula emisora debe sumarse en cuadratura, si no es despreciable en comparación con .
Dado el momento conocido de la partícula emisora y el índice de refracción del radiador, se puede predecir el ángulo de Cherenkov esperado para cada tipo de partícula y calcular su diferencia con el ángulo de Cherenkov medio observado. Dividiendo esta diferencia porluego da una medida del 'número de desviación sigma' de la hipótesis de la observación, que puede usarse para calcular una probabilidad o verosimilitud para cada hipótesis posible. La siguiente figura muestra la desviación del 'número de sigma' de la hipótesis de kaon de una imagen de anillo de pión verdadero ( π no k ) y de la hipótesis de pión de una imagen de anillo de kaón verdadero ( k no π ), en función del impulso, para un rico con = 1.0005, = 25, = 0,64 milirradianes ;
También se muestra el número medio de fotones detectados de piones ( Ngπ ) o de kaones ( Ngk ). Se puede ver que la capacidad del RICH para separar los dos tipos de partículas excede 4 sigma en todas partes entre el umbral y 80 GeV / c, y finalmente cae por debajo de 3 sigma a aproximadamente 100 GeV. Es importante señalar que este resultado es para un detector 'ideal', con aceptación y eficiencia homogéneas, distribuciones de error normales y fondo cero. No existe tal detector, por supuesto, y en un experimento real se utilizan en realidad procedimientos mucho más sofisticados para explicar esos efectos; aceptación y eficiencia dependientes de la posición; distribuciones de error no gaussianas; antecedentes no despreciables y variables dependientes de eventos. [8] [9]
En la práctica, para los estados finales de múltiples partículas producidos en un experimento de colisionador típico , la separación de kaones de otros hadrones de estado final , principalmente piones, es el propósito más importante del RICH. En ese contexto, las dos funciones RICH más vitales, que maximizan la señal y minimizan los fondos combinatorios, son su capacidad para identificar correctamente un kaón como un kaón y su capacidad para no identificar erróneamente un pión como un kaón . Las probabilidades relacionadas, que son las medidas habituales de detección de señal y rechazo de fondo en datos reales, se representan a continuación para mostrar su variación con el momento (simulación con un 10% de fondo aleatorio);
Tenga en cuenta que la tasa de identificación errónea de ~ 30% π → k a 100 GeV se debe, en su mayor parte, a la presencia de impactos de fondo del 10% (fotones falsos) en el detector simulado; la separación de 3 sigma en el ángulo medio de Cherenkov (que se muestra en el cuarto gráfico anterior), por sí sola, solo explicaría aproximadamente un 6% de identificación errónea. Se pueden encontrar análisis más detallados del tipo anterior, para detectores RICH operativos, en la literatura publicada.
Por ejemplo, el experimento LHCb en el CERN LHC estudia, entre otras desintegraciones del mesón B , el proceso particular B 0 → π + π - . La siguiente figura muestra, a la izquierda, el π + π - distribución de la masa sin identificación RICH, donde todas las partículas se supone que son π ; la B 0 → π + π - la señal de interés es la línea de puntos turquesas y está completamente inundada por el fondo debido a las desintegraciones B y Λ que involucran a kaones y protones, y el fondo combinatorio de partículas no asociadas con la desintegración B 0 . [8]
A la derecha están los mismos datos con identificación RICH que se utilizan para seleccionar solo piones y rechazar kaones y protones; la señal B 0 → π + π - se conserva, pero todos los fondos relacionados con kaones y protones se reducen en gran medida, de modo que la señal / fondo B 0 general ha mejorado en un factor de ~ 6, lo que permite una medición mucho más precisa del proceso de desintegración .
Tipos ricos
Se utilizan detectores de enfoque y de enfoque de proximidad. En un detector RICH de enfoque, los fotones son recogidos por un espejo esférico con distancia focal.y enfocado en el detector de fotones colocado en el plano focal. El resultado es un círculo con un radio, independiente del punto de emisión a lo largo de la trayectoria de la partícula (). Este esquema es adecuado para radiadores de bajo índice de refracción (es decir, gases) con su mayor longitud de radiador necesaria para crear suficientes fotones.
En el diseño de enfoque de proximidad más compacto, un volumen de radiador delgado emite un cono de luz Cherenkov que atraviesa una pequeña distancia, la brecha de proximidad, y se detecta en el plano del detector de fotones. La imagen es un anillo de luz cuyo radio está definido por el ángulo de emisión de Cherenkov y el espacio de proximidad. El grosor del anillo está determinado principalmente por el grosor del radiador. Un ejemplo de detector RICH de brecha de proximidad es el High Momentum Particle Identification ( HMPID ), uno de los detectores de ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), que es uno de los cinco experimentos en el LHC ( Large Hadron Collider ) del CERN .
En un DIRC (Detección de luz Cherenkov reflejada internamente), otro diseño de un detector RICO, la luz que es capturada por la reflexión interna total dentro del radiador sólido llega a los sensores de luz en el perímetro del detector, la sección transversal rectangular precisa del radiador preservando el información angular del cono de luz de Cherenkov. Un ejemplo es el DIRC del experimento BaBar en SLAC .
El experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones utiliza dos detectores RICH para diferenciar entre piones y kaones . [10] El primero (RICH-1) se ubica inmediatamente después del localizador de vértices (VELO) alrededor del punto de interacción y está optimizado para partículas de bajo momento y el segundo (RICH-2) se ubica después de las capas de imán y rastreador de partículas. y optimizado para partículas de mayor momento. [8]
El dispositivo de espectrómetro magnético alfa AMS-02, recientemente montado en la Estación Espacial Internacional utiliza un detector RICH en combinación con otros dispositivos para analizar los rayos cósmicos .
Referencias
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