Детектор Черенкова с кольцевым изображением

Детектор черенковского излучения с кольцевым изображением ( RICH ) — это устройство для идентификации типа электрически заряженной субатомной частицы с известным импульсом , проходящей через прозрачную преломляющую среду, путем измерения наличия и характеристик черенковского излучения, испускаемого во время прохождения. Детекторы RICH были впервые разработаны в 1980-х годах и используются в экспериментах с элементарными частицами высокой энергии , ядерной физике и астрофизике .

В этой статье описываются истоки и принципы работы детектора RICH, а также краткие примеры его различных форм в современных физических экспериментах.

Детектор черенковского излучения с кольцевым изображением (RICH)

Происхождение

Метод обнаружения с помощью кольцевого изображения был впервые предложен Жаком Сегино и Томом Ипсилантисом , работавшими в ЦЕРНе в 1977 году. ^[1] Их исследования и разработки высокоточных однофотонных детекторов и соответствующей оптики заложили основу для проектирования ^{[2] [3]} разработки ^[4] и создания первых крупномасштабных детекторов физики элементарных частиц RICH на установке OMEGA в ЦЕРНе ^{[5] [6] [7] и} эксперименте LEP ( Большой электрон-позитронный коллайдер ) DELPHI . ^[8]

Принципы

Детектор черенковского излучения с кольцевым изображением (RICH) позволяет идентифицировать типы электрически заряженных субатомных частиц посредством обнаружения черенковского излучения, испускаемого (в виде фотонов ) частицей при прохождении через среду с показателем преломления > 1. Идентификация достигается путем измерения угла испускания черенковского излучения , который связан со скоростью заряженной частицы соотношением ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \theta _{c}}$ ${\displaystyle v}$

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

где скорость света. ${\displaystyle c}$

Знание импульса и направления частицы (обычно доступное из соответствующего импульсного спектрометра ) позволяет предсказать для каждой гипотезы тип частиц; использование известного излучателя RICH дает соответствующее предсказание , которое можно сравнить с обнаруженными черенковскими фотонами, тем самым указывая на идентичность частицы (обычно как вероятность на тип частицы). Типичное (моделируемое) распределение vs импульса исходной частицы для одиночных черенковских фотонов, полученных в газовом излучателе (n~1,0005, угловое разрешение~0,6 мрад), показано на следующем рис.1: ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \theta _{c}}$ ${\displaystyle \theta _{c}}$ ${\displaystyle \theta _{c}}$

Рис.1: Угол Черенкова в зависимости от импульса

Различные типы частиц следуют четким контурам постоянной массы, размытым эффективным угловым разрешением детектора RICH; при более высоких импульсах каждая частица испускает ряд черенковских фотонов, которые, взятые вместе, дают более точную меру среднего, чем один фотон (см. рис. 3 ниже), позволяя эффективному разделению частиц простираться за пределы 100 ГэВ в этом примере. Эта идентификация частиц необходима для детального понимания внутренней физики структуры и взаимодействия элементарных частиц. Суть метода кольцевой визуализации заключается в разработке оптической системы с однофотонными детекторами, которая может изолировать черенковские фотоны, испускаемые каждой частицей, для формирования единого «кольцевого изображения», из которого можно определить точное. ${\displaystyle \theta _{c}}$ ${\displaystyle \theta _{c}}$

Рис.2: Черенковские фотоны, испускаемые пионом или каоном с энергией 22 ГэВ/с.

Полярный график черенковских углов фотонов, связанных с частицей 22 ГэВ/c в радиаторе с = 1,0005, показан на рис. 2; показаны как пион , так и каон ; протоны находятся ниже черенковского порога, , не производя в этом случае излучения (что также было бы очень четким сигналом типа частицы = протон, поскольку флуктуации числа фотонов следуют статистике Пуассона относительно ожидаемого среднего значения, так что вероятность того, что, например, каон 22 ГэВ/c произведет ноль фотонов, когда ожидалось ~ 12, очень мала; e ⁻¹² или 1 из 162755). Число обнаруженных фотонов, показанное для каждого типа частиц, является, для целей иллюстрации, средним для этого типа в RICH, имеющем ~ 25 (см. ниже). Распределение по азимуту является случайным между 0 и 360 градусами; распределение по разбросано со среднеквадратичным угловым разрешением ~ 0,6 миллирадиан . ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle c/nv>1}$ ${\displaystyle N_{c}}$ ${\displaystyle \theta _{c}}$

Обратите внимание, что, поскольку точки испускания фотонов могут находиться в любом месте траектории частицы (обычно прямой линии), проходящей через излучатель, возникающие фотоны занимают световой конус в пространстве.

Рис.3: Средний черенковский угол на частицу в зависимости от импульса

В детекторе RICH фотоны внутри этого светового конуса проходят через оптическую систему и попадают на чувствительный к положению фотонный детектор. С помощью подходящей фокусирующей оптической системы это позволяет реконструировать кольцо, подобное тому, что показано выше на рис. 2, радиус которого дает меру угла излучения Черенкова . ${\displaystyle \theta _{c}}$

Разрешающая способность этого метода иллюстрируется путем сравнения угла Черенкова на фотон (см. первый график, рис. 1 выше) со средним углом Черенкова на частицу (усредненным по всем фотонам, испущенным этой частицей), полученным с помощью кольцевой визуализации, показанной на рис. 3; значительно улучшенное разделение между типами частиц очень четко видно.

Оптическая точность и реакция

Эта способность системы RICH успешно разрешать различные гипотезы относительно типа частиц 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 фотона) ${\displaystyle n}$
  • Аберрации в оптической системе
  • Позиционное разрешение детектора фотонов
• Максимальное количество обнаруженных фотонов в кольцевом изображении , ${\displaystyle N_{c}}$
  • Длина радиатора, через который проходит частица
  • Прохождение фотонов через материал радиатора
  • Передача фотона через оптическую систему
  • Квантовая эффективность детекторов фотонов

${\displaystyle \sigma }$является мерой собственной оптической точности детектора RICH. является мерой оптического отклика RICH; его можно рассматривать как предельный случай числа фактически обнаруженных фотонов, произведенных 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), испускающей фотоны под углом , тогда равно ${\displaystyle N_{c}}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle \theta _{c}}$

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

и точность, с которой средний угол Черенкова может быть определен с помощью этих фотонов, приблизительно равна

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

к которому необходимо в квадратуре прибавить угловую точность измеренного направления излучающей частицы, если она не пренебрежимо мала по сравнению с . ${\displaystyle \sigma _{m}}$

Идентификация частиц

Учитывая известный импульс излучающей частицы и показатель преломления излучателя, можно предсказать ожидаемый угол Черенкова для каждого типа частиц и рассчитать его разницу с наблюдаемым средним углом Черенкова. Разделив эту разницу на , можно получить меру отклонения «числа сигм» гипотезы от наблюдения, которую можно использовать при вычислении вероятности или правдоподобия для каждой возможной гипотезы. На следующем рис. 4 показано отклонение «числа сигм» гипотезы каона от истинного изображения кольца пиона ( π, а не k ) и гипотезы пиона от истинного изображения кольца каона ( k, а не π ) как функцию импульса для RICH с = 1,0005, = 25, = 0,64 миллирадиан ; ${\displaystyle \sigma _{m}}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle N_{c}}$ ${\displaystyle \sigma }$

Рис.4: Разделение пионов и каонов Nsigma

Также показано среднее число зарегистрированных фотонов от пионов ( Ngπ ) или от каонов ( Ngk ). Видно, что способность RICH разделять два типа частиц превышает 4 сигмы везде между порогом и 80 ГэВ/с, наконец, опускаясь ниже 3 сигм примерно при 100 ГэВ.

Важно отметить, что этот результат относится к «идеальному» детектору с однородным принятием и эффективностью, нормальным распределением ошибок и нулевым фоном. Конечно, такого детектора не существует, и в реальном эксперименте для учета этих эффектов фактически используются гораздо более сложные процедуры; зависящие от положения принятие и эффективность; негауссовские распределения ошибок; непренебрежимо малые и переменные зависящие от событий фоны. ^{[9] [10]}

На практике для многочастичных конечных состояний, полученных в типичном эксперименте на коллайдере , отделение каонов от других конечных состояний адронов , в основном пионов, является наиболее важной целью RICH. В этом контексте две наиболее важные функции RICH, которые максимизируют сигнал и минимизируют комбинаторные фоны, - это 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 отклонения фона в реальных данных, представлены на рис. 5 ниже, чтобы показать их изменение в зависимости от импульса (симуляция с 10% случайным фоном);

Рис.5: График идентификации каона

Обратите внимание, что ~30% π → k скорость ошибочной идентификации при 100 ГэВ, по большей части, обусловлена ​​наличием 10% фоновых попаданий (поддельных фотонов) в моделируемом детекторе; 3-сигмовое разделение в среднем угле Черенкова (показано на рис. 4 выше) само по себе объясняет только около 6% ошибочной идентификации. Более подробный анализ вышеуказанного типа для рабочих детекторов RICH можно найти в опубликованной литературе.

Например, эксперимент LHCb в ЦЕРНе LHC изучает, среди прочих распадов B-мезонов , конкретный процесс B ⁰ → π ⁺ π ⁻ . Следующий рис. 6 показывает слева распределение масс π ⁺ π ⁻ без идентификации RICH, где предполагается, что все частицы являются π ; интересующий сигнал B ⁰ → π ⁺ π ⁻ представлен бирюзово-пунктирной линией и полностью затоплен фоном из-за распадов B и Λ с участием каонов и протонов, а также комбинаторным фоном от частиц, не связанных с распадом B ⁰ . ^[9]

Рис.6: LHCb RICH Btoππ

Справа показаны те же данные с идентификацией RICH, использованной для отбора только пионов и отклонения каонов и протонов; сигнал B ⁰ → π ⁺ π ⁻ сохраняется, но все фоны, связанные с каонами и протонами, значительно уменьшены, так что общий сигнал/фон B ⁰ улучшился примерно в 6 раз, что позволяет гораздо точнее измерить процесс распада.

Типы RICH

Рис.7: фокусировка и визуализация с приближением RICH-конструкций

Используются как фокусирующие, так и фокусирующие детекторы с близостью (рис. 7). В фокусирующем детекторе RICH фотоны собираются сферическим зеркалом с фокусным расстоянием и фокусируются на детекторе фотонов, размещенном в фокальной плоскости. Результатом является круг с радиусом , не зависящим от точки испускания вдоль траектории частицы ( ). Эта схема подходит для излучателей с низким показателем преломления (т. е. газов), у которых большая длина излучателя необходима для создания достаточного количества фотонов. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle r=f\theta _{c}}$ ${\displaystyle \theta _{c}\ll 1}$

В более компактной конструкции с фокусировкой на расстоянии тонкий объем радиатора испускает конус черенковского света, который проходит небольшое расстояние, зазор близости, и обнаруживается на плоскости детектора фотонов. Изображение представляет собой кольцо света, радиус которого определяется углом излучения Черенкова и зазором близости. Толщина кольца в основном определяется толщиной радиатора. Примером детектора RICH с зазором близости является High Momentum Particle Identification (HMPID), один из детекторов ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), который является одним из пяти экспериментов на LHC ( Большом адронном коллайдере ) в ЦЕРНе .

Рис.8: Детектор DIRC

В DIRC (Detection of Internally Reflected Cherenkov light, Fig.8), другой конструкции детектора RICH, свет, улавливаемый полным внутренним отражением внутри твердотельного радиатора, достигает световых датчиков по периметру детектора, точное прямоугольное поперечное сечение радиатора сохраняет угловую информацию о конусе черенковского света. Одним из примеров является DIRC эксперимента BaBar в SLAC .

Рис.9: Детектор LHCb

Эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере, рис. 9, использует два детектора RICH для различения пионов и каонов . ^[11] Первый (RICH-1) расположен сразу после локатора вершин (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. ^[9]

Рис.10: АМС-02

Магнитный альфа -спектрометр AMS-02, рис. 10, недавно установленный на Международной космической станции, использует детектор RICH в сочетании с другими устройствами для анализа космических лучей .

Ссылки

1. Seguinot, J.; Ypsilantis, T. (1977). "Фотоионизация и визуализация черенковских колец". Ядерные приборы 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 камеры получения изображений колец Черенкова» (PDF) . Труды IEEE по ядерной науке . 27 (1): 91–95. Bibcode : 1980ITNS...27...91W. doi : 10.1109/TNS.1980.4330809. S2CID  17665647.
3. Экелёф, Т.; Сегино, Ж.; Токвиль, Ж.; Ипсилантис, Т. (1981). «Черенковский детектор кольцевых изображений: недавний прогресс и будущее развитие». Physica Scripta . 23 (4B): 718–726. Bibcode : 1981PhyS...23..718E. doi : 10.1088/0031-8949/23/4B/023. S2CID  250820266.
4. Glass, H.; et al. (1985). «Идентификация адронов с высоким поперечным импульсом с помощью кольцевого черенковского счетчика». IEEE Trans. Nucl. Sci . NS-32 (1): 692–696. Bibcode :1985ITNS...32..692G. doi :10.1109/TNS.1985.4336924. S2CID  42580412.
5. CERN-97-02; W.Beusch (1997) стр.23 в The CERN Omega Spectrometer: 25 Years of Physics , Jacob, Maurice René Michel (ред.) (CERN); Quercigh, Emanuele (ред.) (CERN), https://cds.cern.ch/record/330556
6. В 1972 году в Западном регионе был введен в эксплуатацию спектрометр OMEGA, и в первый же год было зарегистрировано более миллиона столкновений. 1972.
7. Apsimon, RJ; et al. (1986). "Последние эксплуатационные характеристики кольцевого детектора изображений Черенкова CERN". IEEE Transactions on Nuclear Science . 33 (1): 122–131. Bibcode : 1986ITNS...33..122A. doi : 10.1109/TNS.1986.4337063. S2CID  18645695.
8. Арнольд, Р.; и др. (1988). "Черенковский детектор с кольцевой визуализацией, прототип DELPHI Barrel RICH". Ядерные приборы и методы в исследованиях физики, раздел A. 270 ( 2–3): 255–288. Bibcode : 1988NIMPA.270..255A. doi : 10.1016/0168-9002(88)90695-X.
9. Adinolfi, M.; et al. (2013). "Производительность детектора LHCb RICH на LHC". The European Physical Journal C. 73 ( 5): 2431. arXiv : 1211.6759 . Bibcode : 2013EPJC...73.2431A. doi : 10.1140/epjc/s10052-013-2431-9. PMC 4371097. PMID  25814859. 
10. Уилкинсон, Г. (2008). «В поисках колец: подходы к обнаружению 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.
11. Alves, AA Jr.; et al. (LHCb Collaboration) (2008). "Детектор LHCb на LHC" (PDF) . Journal of Instrumentation . 3 (8): S08005. Bibcode : 2008JInst...3S8005L. doi : 10.1088/1748-0221/3/08/S08005. hdl : 10251/54510 . S2CID  250673998.