Кольцевой черенковский детектор - Ring-imaging Cherenkov detector

В кольцевое изображение Черенкова, или же БОГАТЫЕ, детектор - это устройство для определения типа электрически заряженный субатомная частица известных импульс, который пересекает прозрачный преломляющий среды, путем измерения наличия и характеристик Черенковское излучение испускается во время этого обхода. Детекторы RICH были впервые разработаны в 1980-х годах и используются в высокоэнергетических элементарная частица - , ядерный - и астрофизика эксперименты.

В этой статье рассказывается об истоках и принципах работы детектора RICH с краткими примерами его различных форм в современных физических экспериментах.

Кольцевой черенковский детектор (RICH)

Происхождение

Метод обнаружения кольцевого изображения был впервые предложен Жаком Сегино и Том Ипсилантис, работая в ЦЕРН в 1977 г.^[1] Их исследования и разработки высокоточных детекторов одиночных фотонов и сопутствующей оптики заложили основу для дизайна.^[2][3] и строительство первого масштабного Физика элементарных частиц Детекторы RICH, в ЦЕРН предприятие OMEGA^[4][5] и LEP (Большой электрон-позитронный коллайдер ) DELPHI эксперимент.^[6]

Принципы

Кольцевой черенковский детектор (RICH) позволяет идентифицировать электрически заряженные субатомная частица типов через обнаружение Черенковское излучение испущен (как фотоны ) частицей, проходящей через среду с показатель преломления ${\displaystyle n}$ > 1. Идентификация достигается путем измерения угла эмиссии, ${\displaystyle \theta _{c}}$, из Черенковское излучение, которая связана со скоростью заряженной частицы ${\displaystyle v}$ к

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

куда ${\displaystyle c}$ это скорость света.

Знание о частицах импульс и направление (обычно доступное с соответствующего импульсного спектрометра) позволяет предсказывать ${\displaystyle v}$ для каждой гипотезы типа частиц; используя известные ${\displaystyle n}$ радиатора RICH дает соответствующий прогноз ${\displaystyle \theta _{c}}$ что можно сравнить с ${\displaystyle \theta _{c}}$ обнаруженных черенковских фотонов, что указывает на идентичность частицы (обычно как вероятность по типу частицы). Типичное (смоделированное) распределение ${\displaystyle \theta _{c}}$ от импульса исходной частицы для одиночных черенковских фотонов, рожденных в газовом излучателе (n ~ 1.0005, угловое разрешение ~ 0,6 мрад), показано на следующем рисунке:

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 дают более точную меру среднего ${\displaystyle \theta _{c}}$ чем одиночный фотон, что позволяет эффективному разделению частиц превышать 100 ГэВ в этом примере. Эта идентификация частицы важна для детального понимания внутренней физики структуры и взаимодействия элементарных частиц. Суть метода построения изображения кольца состоит в том, чтобы разработать оптическую систему с однофотонными детекторами, которая может изолировать черенковские фотоны, испускаемые каждой частицей, для формирования единого «кольцевого изображения», из которого можно получить точное изображение. ${\displaystyle \theta _{c}}$ можно определить.

Полярный график черенковских углов фотонов, связанных с частицей 22 ГэВ / c в излучателе с ${\displaystyle n}$= 1.0005 показано ниже; обе пион и Каон проиллюстрированы; протоны ниже черенковского порога,${\displaystyle c/nv>1}$, не производя излучения в этом случае (что также было бы очень четким сигналом типа частицы = протон, так как колебания количества фотонов следуют Статистика Пуассона об ожидаемом среднем значении, так что вероятность, например, каон с энергией 22 ГэВ / c, производящий нулевые фотоны, когда ожидалось ~ 12, очень мал; е⁻¹² или 1 из 162755) Число обнаруженных фотонов, показанное для каждого типа частиц, в целях иллюстрации является средним для этого типа в RICH, имеющем ${\displaystyle N_{c}}$ ~ 25 (см. Ниже). Распределение по азимуту случайно от 0 до 360 градусов; распределение в ${\displaystyle \theta _{c}}$ разброс со среднеквадратичным угловым разрешением ~ 0,6 миллирадианы.

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. ${\displaystyle \theta _{c}}$. Разрешающая способность этого метода проиллюстрирована сравнением черенковского угла на фотон, см. первый график выше, со средним черенковским углом на частицу (усредненное по всем фотонам, испускаемым этой частицей), полученное с помощью кольцевого изображения, как показано ниже; очень четкое разделение между типами частиц:

Зависимость среднего черенковского угла на частицу от импульса

Эта способность системы RICH успешно решать 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 радиаторе (${\displaystyle n}$ зависит от частоты фотона)
  • 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. ${\displaystyle N_{c}}$ - 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 ${\displaystyle q}$ (обычно ± 1), излучающие фотоны под углом ${\displaystyle \theta _{c}}$ затем

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

и точность, с которой можно определить средний черенковский угол с помощью этих фотонов, составляет приблизительно

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

к которой должна быть добавлена ​​угловая точность измеренного направления излучающей частицы в квадратуре, если ею нельзя пренебречь по сравнению с ${\displaystyle \sigma _{m}}$.

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. Разделив эту разницу на ${\displaystyle \sigma _{m}}$ затем 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 гипотезы каонов по количеству сигм от истинного изображения кольца пионов (π не k) и гипотезы пиона от истинного изображения кольца каонов (k не π) как функция импульса для RICH с ${\displaystyle n}$ = 1.0005, ${\displaystyle N_{c}}$ = 25, ${\displaystyle \sigma }$ = 0.64 миллирадианы;

Разделение пионов и каонов Nsigma

Также показано среднее количество зарегистрированных фотонов от пионов (Ngπ) или из 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 это результат для «идеального» детектора 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.^[7][8]

На практике для многочастичных конечных состояний, возникающих в типичном коллайдер эксперимент, отделение каонов от другого конечного состояния адроны, в основном пионы, является важнейшей целью RICH. В этом контексте двумя наиболее важными функциями RICH, которые максимизируют сигнал и минимизируют комбинаторный фон, являются его способность правильно определить 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 ~ 30% π → к частота ошибочной идентификации при 100 ГэВ в основном 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 действующих детекторов RICH можно найти в опубликованной литературе.

Например, LHCb эксперимента на LHC в ЦЕРН, среди прочего B-мезон распадается, конкретный процесс B⁰ → π⁺π⁻. На следующем рисунке слева показан π⁺π⁻ массовое распределение без идентификации RICH, где предполагается, что все частицы π ; в B⁰ → π⁺π⁻ интересующим сигналом является бирюзово-пунктирная линия, полностью затененная фоном из-за B и Λ распадов с участием каонов и протонов, а также комбинаторный фон от частиц, не связанных с B⁰ разлагаться.^[7]

LHCb RICH Btoππ

Справа те же данные с идентификацией RICH, используемой для отбора только пионов и отклонения каонов и протонов; в B⁰ → π⁺π⁻ сигнал сохраняется, но все фоны, связанные с каонами и протонами, значительно уменьшаются, так что общий B⁰ сигнал / фон улучшился примерно в 6 раз, что позволяет более точно измерить процесс распада.

Типы RICH

фокусировка и приближение изображений RICH

Используются как фокусирующие, так и бесконтактные детекторы. В фокусирующем детекторе RICH фотоны собираются сферическим зеркалом с фокусным расстоянием ${\displaystyle f}$ и фокусировался на детектор фотонов, расположенный в фокальной плоскости. В результате получился круг с радиусом ${\displaystyle r=f\theta _{c}}$, независимо от точки излучения вдоль трека частицы (${\displaystyle \theta _{c}\ll 1}$). Эта схема подходит для излучателей с низким показателем преломления (то есть газов) с их большей длиной излучателя, необходимой для создания достаточного количества фотонов.

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 система идентификации высокоимпульсных частиц (HMPID ), один из детекторов ALICE (Эксперимент на большом ионном коллайдере ), который является одним из пяти экспериментов на LHC (Большой адронный коллайдер ) в ЦЕРН.

Детектор DIRC

В DIRC (Обнаружение внутренне отраженного черенковского света), еще одной конструкции детектора RICH, свет, который захватывается за счет полного внутреннего отражения внутри твердого излучателя, достигает световых датчиков по периметру детектора, точное прямоугольное поперечное сечение излучателя сохраняет угловую информацию черенковский световой конус. Одним из примеров является DIRC БаБар эксперимент в SLAC.

Детектор LHCb

В LHCb В эксперименте на Большом адронном коллайдере используются два детектора RICH для различения пионы и каоны.^[9] 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 магнит и слои отслеживания частиц и оптимизированы для частиц с более высоким импульсом.^[7]

AMS-02

В Альфа-магнитный спектрометр прибор АМС-02, недавно смонтированный на Международная космическая станция использует детектор RICH в сочетании с другими устройствами для анализа космические лучи.

Рекомендации

1. Seguinot, J .; Ипсилантис, Т. (1977). «Фотоионизация и визуализация черенковских колец». Ядерные инструменты и методы. 142 (3): 377–391. Bibcode:1977NucIM.142..377S. Дои:10.1016 / 0029-554X (77) 90671-1.
2. Williams, S.H .; Leith, D. W. G. S .; 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 ... 91 Вт. Дои:10.1109 / TNS.1980.4330809.
3. Ekelöf, T .; Séguinot, J .; Tocqueville, J .; Ипсилантис, Т. (1981). "Черенковский кольцевой извещатель: последние достижения и будущее развитие". Physica Scripta. 23 (4B): 718–726. Bibcode:1981 ФИЗЫ ... 23..718E. Дои:10.1088 / 0031-8949 / 23 / 4B / 023.
4. В 1972 году спектрометр OMEGA был введен в эксплуатацию в Западном регионе, и в первый же год было зарегистрировано более миллиона столкновений.. 1972.
5. Apsimon, R.J .; 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. Дои:10.1109 / TNS.1986.4337063.
6. Arnold, R .; и другие. (1988). "Кольцевой черенковский детектор, прототип DELPHI Barrel RICH". Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция А. 270 (2–3): 255–288. Bibcode:1988НИМПА.270..255А. Дои:10.1016 / 0168-9002 (88) 90695-Х.
7. 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. Дои:10.1140 / epjc / s10052-013-2431-9. ЧВК  4371097. PMID  25814859.
8. Уилкинсон, Г. (2008). «В поисках колец: подходы к поиску и реконструкции черенковских колец в физике высоких энергий». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция А. 595 (1): 228–232. Bibcode:2008NIMPA.595..228W. Дои:10.1016 / j.nima.2008.07.066.
9. Alves, A. A., Jr .; и другие. (Сотрудничество LHCb) (2008). "Детектор LHCb на LHC". Журнал приборостроения. 3 (8): S08005. Bibcode:2008JInst ... 3S8005L. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 3/08 / S08005. HDL:10251/54510.