В физике элементарных частиц герметичный детектор ( также называемый 4π-детектором ) — это детектор частиц, предназначенный для наблюдения за всеми возможными продуктами распада взаимодействия субатомных частиц в коллайдере путем покрытия максимально возможной площади вокруг точки взаимодействия и включения нескольких типов субдетекторов. Они, как правило, имеют приблизительно цилиндрическую форму с различными типами детекторов, обернутыми вокруг друг друга концентрическими слоями; каждый тип детектора специализируется на определенных частицах, так что почти любая частица будет обнаружена и идентифицирована. Такие детекторы называются «герметичными», потому что они сконструированы таким образом, что движение частиц прекращается на границах камеры без какого-либо перемещения за ее пределы из- за уплотнений ; [1] название «4π-детектор» происходит от того факта, что такие детекторы предназначены для покрытия почти всех 4π- стерадиан телесного угла вокруг точки взаимодействия; в терминах стандартной системы координат, используемой в физике коллайдеров, это эквивалентно покрытию всего диапазона азимутального угла ( ) и псевдобыстроты ( ). На практике частицы с псевдобыстротой выше определенного порога не могут быть измерены, поскольку они слишком близки к параллельности пучка и, таким образом, могут проходить через детектор. Этот предел диапазонов псевдобыстрот, которые могут быть обнаружены, является частью акцепта детектора (т. е. диапазона фазового пространства, который он способен наблюдать); в общем и целом, основная цель проектирования герметичного детектора — максимизировать акцепт, т. е. гарантировать, что детектор способен измерять как можно большую область фазового пространства.
Первым таким детектором был Mark I в Стэнфордском линейном ускорительном центре , и его базовая конструкция использовалась для всех последующих детекторов коллайдеров. До создания Mark I считалось, что большинство продуктов распада частиц будут иметь относительно низкий поперечный импульс (т. е. импульс, перпендикулярный линии пучка ), так что детекторы смогут охватывать только эту область. Однако в ходе экспериментов с Mark I и последующих экспериментов было установлено, что большинство фундаментальных взаимодействий частиц на коллайдерах подразумевают очень большой обмен энергией, и поэтому большие поперечные импульсы не являются редкостью; по этой причине большой угловой охват имеет решающее значение для современной физики элементарных частиц.
Более поздние герметичные детекторы включают детекторы CDF и DØ на ускорителе Tevatron в Fermilab , а также детекторы ATLAS и CMS на LHC в CERN . Эти машины имеют герметичную конструкцию, поскольку являются детекторами общего назначения, что означает, что они способны изучать широкий спектр явлений в физике высоких энергий. Более специализированные детекторы не обязательно имеют герметичную конструкцию; например, LHCb охватывает только переднюю область (высокую псевдобыстроту), поскольку это соответствует области фазового пространства, представляющей наибольший интерес для его физической программы.
Герметичный детектор состоит из трех основных компонентов. Изнутри наружу первым является трекер , который измеряет импульс заряженных частиц, когда они изгибаются в магнитном поле . Далее идут один или несколько калориметров , которые измеряют энергию большинства заряженных и нейтральных частиц , поглощая их в плотном материале, и мюонная система , которая измеряет один тип частиц, который не останавливается калориметрами и все еще может быть обнаружен. Каждый компонент может иметь несколько различных специализированных подкомпонентов.
Магнитное поле детектора заставляет частицу вращаться, ускоряя ее в направлении, перпендикулярном ее движению, посредством силы Лоренца . Система отслеживания вычерчивает спираль, прочерченную такой заряженной частицей, когда она движется через магнитное поле, локализуя ее в пространстве в тонко сегментированных слоях материала обнаружения, обычно кремния . Радиус кривизны частицы пропорционален ее импульсу, перпендикулярному лучу (т.е. поперечному импульсу или ) в соответствии с формулой (где — заряд частицы, а — магнитная индукция ), в то время как степень ее дрейфа в направлении оси луча дает ее импульс в этом направлении.
Калориметры замедляют частицы и поглощают их энергию в материале, позволяя измерять эту энергию. Их часто делят на два типа: электромагнитный калориметр, который специализируется на поглощении частиц, взаимодействующих электромагнитно , и адронный калориметр, который может обнаруживать адроны , взаимодействующие посредством сильного ядерного взаимодействия . Адронный детектор требуется, в частности, для обнаружения тяжелых нейтральных частиц .
Из всех известных стабильных частиц только мюоны и нейтрино проходят через калориметр, не теряя большую часть или всю свою энергию. Нейтрино нельзя наблюдать напрямую в экспериментах на коллайдере из-за их чрезвычайно малого сечения взаимодействия с адронной материей (из которой сделан детектор), и их существование должно быть выведено из так называемой «недостающей» (поперечной) энергии , которая вычисляется после того, как все другие частицы в событии учтены. Однако мюоны (которые заряжены) можно измерить с помощью дополнительной системы отслеживания вне калориметров.
Большинство частиц имеют уникальные комбинации сигналов, оставленных в каждой подсистеме детектора, что позволяет идентифицировать различные частицы. Например, электрон заряжен и взаимодействует электромагнитно, поэтому он отслеживается трекером, а затем отдает всю свою энергию в (электромагнитный) калориметр. Напротив, фотон нейтрален и взаимодействует электромагнитно, поэтому он отдает свою энергию в калориметр, не оставляя следа.
