Кольцевой черенковский детектор

Кольцо изображений Черенкова или RICH , детектор представляет собой устройство для идентификации типа в электрически заряженных субатомных частиц известного импульса , который проходит в прозрачную преломляющую среду, путем измерения присутствия и характеристик излучения Черенкова , испускаемого при этом обхода. Детекторы RICH были впервые разработаны в 1980-х годах и используются в экспериментах с элементарными частицами высоких энергий , ядерных и астрофизических экспериментах.

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

Кольцевой черенковский детектор (RICH) [ править ]

Истоки [ править ]

Метод обнаружения кольцевых изображений был впервые предложен Жаком Сегино и Томом Ипсилантисом , работавшими в ЦЕРН в 1977 году. ^[1] Их исследования и разработки высокоточных однофотонных детекторов и соответствующей оптики заложили основу для конструкции ^[2]^[3] разработка ^[4] и создание первых крупномасштабных детекторов RICH для физики элементарных частиц на установке OMEGA в ЦЕРНе ^[5]^[6] и эксперименте DELPHI на LEP ( большом электронно-позитронном коллайдере ) . ^[7]

Принципы [ править ]

Кольцевой черенковский детектор (RICH) позволяет идентифицировать типы электрически заряженных субатомных частиц посредством регистрации черенковского излучения, испускаемого (в виде фотонов ) частицей при прохождении через среду с показателем преломления > 1. Идентификация достигается путем измерения угол излучения, , от излучения Черенкова , которая связана с скорости заряженной частицы с помощью ${\ displaystyle n}$ ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$ ${\ displaystyle v}$

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

где скорость света. ${\ displaystyle c}$

Знание импульса и направления частицы (обычно доступное с помощью соответствующего импульсного спектрометра ) позволяет предсказывать каждую гипотезу о типе частиц; использование известного радиатора RICH дает соответствующее предсказание, которое можно сравнить с обнаруженными черенковскими фотонами, таким образом указывая на идентичность частицы (обычно как вероятность по типу частицы). Типичное (смоделированное) распределение от импульса частицы-источника для одиночных черенковских фотонов, произведенных в газовом излучателе (n ~ 1.0005, угловое разрешение ~ 0.6 мрад), показано на следующем рисунке: ${\ displaystyle v}$ ${\ displaystyle n}$ ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$ ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$ ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

Угол Черенкова против Momentum

Различные типы частиц повторяют четкие контуры постоянной массы, размытые эффективным угловым разрешением детектора RICH; при более высоких импульсах каждая частица испускает ряд черенковских фотонов, которые вместе взятые дают более точную меру среднего значения, чем одиночный фотон, что позволяет эффективному разделению частиц превышать 100 ГэВ в этом примере. Эта идентификация частиц важна для детального понимания внутренней физики структуры и взаимодействий элементарных частиц. Сущность метода кольцевого изображения заключается в разработке оптической системы с однофотонными детекторами, которая может изолировать черенковские фотоны, испускаемые каждой частицей, для формирования единого «кольцевого изображения», по которому может быть определена точность . ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$ ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

Полярный график черенковских углов фотонов, связанных с частицей 22 ГэВ / c в излучателе с = 1.0005, показан ниже; показаны как пион, так и каон ; протоны ниже черенковского порога, не производя излучения в этом случае (что также было бы очень четким сигналом типа частицы = протон, поскольку флуктуации числа фотонов следуют статистике Пуассона относительно ожидаемого среднего значения, так что вероятность, например, Каон 22 ГэВ / c, производящий ноль фотонов, когда ожидалось ~ 12, очень мало; e ^-12 или 1 из 162755) Число обнаруженных фотонов, показанное для каждого типа частиц, в целях иллюстрации является средним для этого типа в RICH, имеющем ${\ displaystyle n}$ ${\ displaystyle c / nv> 1}$ ${\ displaystyle N_ {c}}$ ~ 25 (см. Ниже). Распределение по азимуту случайное от 0 до 360 градусов; распределение в распространяется со среднеквадратичным угловым разрешением ~ 0,6 миллирадиана . ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

Черенковские фотоны, испускаемые пионом или каоном 22 ГэВ / c

Обратите внимание: поскольку точки испускания фотонов могут находиться в любом месте на (обычно прямой) траектории частицы через излучатель, выходящие фотоны заполняют световой конус в пространстве.

В детекторе RICH фотоны внутри светового конуса проходят через оптическую систему и попадают на позиционно-чувствительный фотонный детектор. С помощью подходящей фокусирующей оптической системы это позволяет реконструировать кольцо, подобное описанному выше, радиус которого дает меру черенковского угла излучения . Разрешающая способность этого метода проиллюстрирована путем сравнения угла Черенкова на фотон , см. Первый график выше, со средним углом Черенкова на частицу (усредненным по всем фотонам, испускаемым этой частицей), полученным с помощью визуализации кольца, показанного ниже; значительно улучшенное разделение между типами частиц очень четкое: ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

Зависимость среднего черенковского угла на частицу от импульса

Эта способность системы RICH успешно разрешать различные гипотезы для типа частицы зависит от двух основных факторов, которые, в свою очередь, зависят от перечисленных подфакторов;

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

${\ displaystyle \ sigma}$ является мерой оптической точности детектора RICH. - мера оптического отклика RICH; его можно рассматривать как предельный случай количества фактически обнаруженных фотонов, производимых частицей, скорость которой приближается к скорости света, усредненного по всем соответствующим траекториям частиц в детекторе RICH. Среднее число обнаруженных черенковских фотонов для более медленной частицы с зарядом (обычно ± 1), излучающим фотоны под углом , тогда составляет ${\ displaystyle N_ {c}}$ ${\ displaystyle q}$ ${\ displaystyle \ theta _ {c}}$

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

и точность, с которой средний черенковский угол может быть определен с этими фотонами, приблизительно равна

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

к которой должна быть добавлена угловая точность измеренного направления излучающей частицы в квадратуре, если она не является незначительной по сравнению с . $\sigma _{m}$

Учитывая известный импульс излучающей частицы и показатель преломления излучателя, можно предсказать ожидаемый черенковский угол для каждого типа частиц и рассчитать его отличие от наблюдаемого среднего черенковского угла. Разделение этой разницы на то дает меру отклонения «числа сигм» гипотезы от наблюдения, которую можно использовать при вычислении вероятности или правдоподобия для каждой возможной гипотезы. На следующем рисунке показано отклонение «числа сигм» гипотезы каонов от истинного изображения кольца пионов ( π, а не k ) и гипотезы пиона от истинного изображения кольца каонов ( k, а не π ) как функция импульса для RICH с = 1.0005, = 25, = 0.64 миллирадиан $\sigma _{m}$ $n$ $N_{c}$ $\sigma$ ;

Разделение пионов и каонов Nsigma

Также показано среднее количество зарегистрированных фотонов от пионов ( Ngπ ) или от каонов ( Ngk ). Можно видеть, что способность RICH разделять два типа частиц превышает 4-сигма везде между порогом и 80 ГэВ / c, в конечном итоге упав ниже 3-сигма примерно при 100 ГэВ. Важно отметить, что этот результат относится к «идеальному» детектору с однородным приемом и эффективностью, нормальным распределением ошибок и нулевым фоном. Конечно, такого детектора не существует, и в реальном эксперименте фактически используются гораздо более сложные процедуры, чтобы учесть эти эффекты; позиция зависимая приемлемость и эффективность; негауссовские распределения ошибок; существенные и изменчивые фоны, зависящие от событий. ^[8]^[9]

На практике для многочастичных конечных состояний, создаваемых в типичном эксперименте на коллайдере , отделение каонов от других адронов в конечном состоянии , в основном пионов, является наиболее важной целью RICH. 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 ошибочно идентифицировать пион как каон . Соответствующие вероятности, которые являются обычными мерами обнаружения сигнала и подавления фона в реальных данных, показаны ниже, чтобы показать их изменение с импульсом (моделирование с 10% случайным фоном);

Идентификационный участок Каона

Обратите внимание, что частота ошибочной идентификации ~ 30% π → k при 100 ГэВ по большей части связана с наличием 10% фоновых попаданий (ложных фотонов) в моделируемом детекторе; разделение на 3 сигмы в среднем угле Черенкова (показанном на 4-м графике выше) само по себе будет составлять только около 6% ошибочной идентификации. Более подробный анализ вышеуказанного типа для работающих детекторов RICH можно найти в опубликованной литературе.

Например, эксперимент LHCb на LHC в ЦЕРНе изучает, среди других распадов B-мезонов , конкретный процесс B ⁰ → π ⁺ π ^- . На следующем рисунке слева показано распределение масс π ⁺ π ^- без идентификации RICH, где предполагается, что все частицы имеют π ; B ⁰ → π ⁺ π ^- сигнал , представляющий интереса является бирюзово-пунктирной линией и полностью завален фоном из - за Б и Лраспады с участием каонов и протонов, а также комбинаторный фон от частиц, не связанных с распадом B ⁰ . ^[8]

LHCb RICH Btoππ

Справа те же данные с идентификацией RICH, используемой для отбора только пионов и отклонения каонов и протонов; B ⁰ → π ⁺ л ^- сигнал сохраняется , но все kaon- и протон-связанные фоны значительно снижается, так что общий B ⁰ сигнал / фон улучшилась в ~ 6, что позволяет гораздо более точное измерение процесса распада .

Типы RICH [ править ]

фокусировка и приближение изображений RICH

Используются как фокусирующие, так и бесконтактные детекторы. В фокусирующем детекторе RICH фотоны собираются сферическим зеркалом с фокусным расстоянием и фокусируются на фотонном детекторе, расположенном в фокальной плоскости. В результате получается круг с радиусом , не зависящим от точки излучения вдоль трека частицы ( ). Эта схема подходит для излучателей с низким показателем преломления (т. Е. Газов) с их большей длиной излучателя, необходимой для создания достаточного количества фотонов. $f$ $r=f\theta _{c}$ $\theta _{c}\ll 1$

В более компактной конструкции с бесконтактной фокусировкой тонкий объем излучателя излучает конус черенковского света, который проходит небольшое расстояние, расстояние близости, и обнаруживается на плоскости детектора фотонов. Изображение представляет собой световое кольцо, радиус которого определяется черенковским углом излучения и зазором близости. Толщина кольца в основном определяется толщиной радиатора. Примером бесконтактного детектора RICH является High Momentum Particle Identification ( HMPID ), один из детекторов ALICE (эксперимент с большим ионным коллайдером ), который является одним из пяти экспериментов на LHC ( большом адронном коллайдере ) в ЦЕРНе .

Детектор DIRC

В DIRC (обнаружение внутренне отраженного черенковского света), другой конструкции детектора RICH, свет, который захватывается за счет полного внутреннего отражения внутри твердого излучателя, достигает световых датчиков по периметру детектора, причем точное прямоугольное поперечное сечение излучателя сохраняет угловая информация черенковского светового конуса. Одним из примеров является DIRC эксперимента BaBar в SLAC .

Детектор LHCb

В эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере используются два детектора RICH для различения пионов и каонов . ^[10] Первый (RICH-1) расположен сразу после вершинного локатора (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 частиц с более высоким импульсом. ^[8]

AMS-02

Магнитный спектрометр Альфа устройство AMS-02, недавно установленный на Международной космической станции использует RICH детектора в сочетании с другими устройствами для анализа космических лучей .

Ссылки [ править ]

^ Сегино, Дж .; Ипсилантис, Т. (1977). «Фотоионизация и визуализация черенковских колец». Ядерные инструменты и методы . 142 (3): 377–391. Bibcode : 1977NucIM.142..377S . DOI : 10.1016 / 0029-554X (77) 90671-1 .
^ Уильямс, SH; Лейт, DWGS; Поппе, М .; Ипсилантис, Т. (1980). "Оценка детекторов для черенковской кольцевой камеры визуализации" (PDF) . IEEE Transactions по ядерной науке . 27 (1): 91–95. Bibcode : 1980ITNS ... 27 ... 91W . DOI : 10.1109 / TNS.1980.4330809 .
^ Ekelöf, T .; Séguinot, J .; Tocqueville, J .; Ипсилантис, Т. (1981). "Черенковский кольцевой детектор изображения: последние достижения и будущее развитие" . Physica Scripta . 23 (4B): 718–726. Bibcode : 1981PhyS ... 23..718E . DOI : 10.1088 / 0031-8949 / 23 / 4B / 023 .
^ Стекло, H .; и другие. (1985). "Идентификация адронов с большим поперечным импульсом с помощью кольцевого черенковского счетчика" . IEEE Trans. Nucl. Sci . НС-32: 692–696.
↑ В 1972 году спектрометр OMEGA был введен в эксплуатацию в Западном регионе, и в первый же год было зарегистрировано более миллиона столкновений . 1972 г.
^ Апсимон, RJ; и другие. (1986). «Недавние эксплуатационные характеристики черенковского детектора изображения омега-кольца в ЦЕРН» . IEEE Transactions по ядерной науке . 33 (1): 122–131. Bibcode : 1986ITNS ... 33..122A . DOI : 10.1109 / TNS.1986.4337063 .
^ Арнольд, Р .; и другие. (1988). "Кольцевой черенковский детектор, прототип DELPHI Barrel RICH". Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел A . 270 (2–3): 255–288. Bibcode : 1988NIMPA.270..255A . DOI : 10.1016 / 0168-9002 (88) 90695-X .
^ a b c Adinolfi, M .; и другие. (2013). «Работа детектора LHCb RICH на LHC» . Европейский физический журнал C . 73 (5): 2431. arXiv : 1211.6759 . Bibcode : 2013EPJC ... 73.2431A . DOI : 10.1140 / epjc / s10052-013-2431-9 . PMC 4371097 . PMID 25814859 .
Перейти ↑ Wilkinson, G. (2008). «В поисках колец: подходы к поиску и реконструкции черенковских колец в физике высоких энергий». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел A . 595 (1): 228–232. Bibcode : 2008NIMPA.595..228W . DOI : 10.1016 / j.nima.2008.07.066 .
^ Алвес, AA, младший; и другие. (Сотрудничество LHCb) (2008). "Детектор LHCb на LHC". Журнал приборостроения . 3 (8): S08005. Bibcode : 2008JInst ... 3S8005L . DOI : 10.1088 / 1748-0221 / 3/08 / S08005 . hdl : 10251/54510 .

[1] Сегино, Дж .; Ипсилантис, Т. (1977). «Фотоионизация и визуализация черенковских колец». Ядерные инструменты и методы . 142 (3): 377–391. Bibcode : 1977NucIM.142..377S . DOI : 10.1016 / 0029-554X (77) 90671-1 .

[2] Уильямс, SH; Лейт, DWGS; Поппе, М .; Ипсилантис, Т. (1980). "Оценка детекторов для черенковской кольцевой камеры визуализации" (PDF) . IEEE Transactions по ядерной науке . 27 (1): 91–95. Bibcode : 1980ITNS ... 27 ... 91W . DOI : 10.1109 / TNS.1980.4330809 .

[3] Ekelöf, T .; Séguinot, J .; Tocqueville, J .; Ипсилантис, Т. (1981). "Черенковский кольцевой детектор изображения: последние достижения и будущее развитие" . Physica Scripta . 23 (4B): 718–726. Bibcode : 1981PhyS ... 23..718E . DOI : 10.1088 / 0031-8949 / 23 / 4B / 023 .

[4] Стекло, H .; и другие. (1985). "Идентификация адронов с большим поперечным импульсом с помощью кольцевого черенковского счетчика" . IEEE Trans. Nucl. Sci . НС-32: 692–696.

[5] В 1972 году спектрометр OMEGA был введен в эксплуатацию в Западном регионе, и в первый же год было зарегистрировано более миллиона столкновений . 1972 г.

[6] Апсимон, RJ; и другие. (1986). «Недавние эксплуатационные характеристики черенковского детектора изображения омега-кольца в ЦЕРН» . IEEE Transactions по ядерной науке . 33 (1): 122–131. Bibcode : 1986ITNS ... 33..122A . DOI : 10.1109 / TNS.1986.4337063 .

[7] Арнольд, Р .; и другие. (1988). "Кольцевой черенковский детектор, прототип DELPHI Barrel RICH". Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел A . 270 (2–3): 255–288. Bibcode : 1988NIMPA.270..255A . DOI : 10.1016 / 0168-9002 (88) 90695-X .

[Adinolfi-8] Adinolfi, M .; и другие. (2013). «Работа детектора LHCb RICH на LHC» . Европейский физический журнал C . 73 (5): 2431. arXiv : 1211.6759 . Bibcode : 2013EPJC ... 73.2431A . DOI : 10.1140 / epjc / s10052-013-2431-9 . PMC 4371097 . PMID 25814859 .

[9] Перейти ↑ Wilkinson, G. (2008). «В поисках колец: подходы к поиску и реконструкции черенковских колец в физике высоких энергий». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел A . 595 (1): 228–232. Bibcode : 2008NIMPA.595..228W . DOI : 10.1016 / j.nima.2008.07.066 .

[10] Алвес, AA, младший; и другие. (Сотрудничество LHCb) (2008). "Детектор LHCb на LHC". Журнал приборостроения . 3 (8): S08005. Bibcode : 2008JInst ... 3S8005L . DOI : 10.1088 / 1748-0221 / 3/08 / S08005 . hdl : 10251/54510 .

[1]