Detector CLAS

El Espectrómetro de Gran Aceptación CEBAF (CLAS) es un detector de física nuclear y de partículas ubicado en el Hall B experimental del Laboratorio Jefferson en Newport News , Virginia , Estados Unidos. Se utiliza para estudiar las propiedades de la materia nuclear mediante la colaboración de más de 200 físicos (Colaboración CLAS) de muchos países de todo el mundo.

El haz de electrones de 0,5 a 12,0 GeV del acelerador del Laboratorio Jefferson se lleva a la "Sala B", la sala experimental que alberga el sistema CLAS. Los electrones o fotones del haz entrante chocan con los núcleos de los átomos en el "objetivo" de física ubicado en el centro del CLAS. Estas colisiones generalmente producen nuevas partículas, a menudo después de que los nucleones objetivo (protones y neutrones) se exciten brevemente para convertirse en versiones de mayor masa de los conocidos protones y neutrones. Se puede crear toda una variedad de partículas de masa intermedia de vida corta llamadas "mesones". Los electrones dispersos, así como las partículas producidas de vida más larga, viajan a través del detector CLAS, donde se miden. Los físicos de partículas utilizan estas mediciones para deducir la estructura subyacente de los protones y neutrones y para comprender mejor las interacciones que crean estas nuevas partículas.

El sistema de detección CLAS estuvo en funcionamiento desde 1998 hasta mayo de 2012. A partir de entonces, el análisis de los datos archivados continuó durante algunos años, como se puede comprobar en las publicaciones. Desde 2012, se construyó un sistema similar, pero nuevo, llamado CLAS12, que comenzó a funcionar con haces de partículas en 2017.

El detector CLAS se destacó entre los dispositivos en el área de la física de partículas hadrónicas por su gran aceptación; en otras palabras, medía el momento y los ángulos de casi todas las partículas producidas en las colisiones electrón-protón. El detector, de forma aproximadamente esférica, medía 30 pies de ancho. Rodeaba el objetivo de la física, que normalmente era un pequeño cilindro de hidrógeno líquido (el núcleo del hidrógeno está compuesto por un solo protón) o deuterio (con un núcleo formado por un neutrón y un protón).

Cada colisión entre partículas y objetivos se denomina "evento". Un elaborado sistema de adquisición de datos registra cada evento medido por los detectores de partículas, hasta varios miles de eventos por segundo en promedio. Estos datos se transfieren luego a una "granja" de procesadores informáticos. Equipos de físicos analizan los eventos en busca de nuevos tipos de partículas o información relacionada con la estructura subyacente del protón.

En la figura se muestra un diagrama del detector CLAS, así como una fotografía del detector cuando se abrió parcialmente para realizar tareas de mantenimiento. El objetivo de física está en el centro. Se detectan partículas cargadas en casi todas las direcciones, excluyendo las direcciones más hacia adelante (haz) y hacia atrás (haz), y también excluyendo las direcciones azimutales ocupadas por seis bobinas de campo magnético toroidal. El detector se diseñó en forma anidada, con capas sucesivas de detectores de partículas para rastrear las trayectorias de las partículas o registrar los tiempos de vuelo de las partículas. El campo magnético toroidal hace que las partículas cargadas del objetivo se doblen en arcos hacia o desde la línea del haz. Las partículas que salen del objetivo pasan primero por un contador de tiempo para registrar el comienzo de sus trayectorias. Luego, las partículas atraviesan tres paquetes de cámaras de deriva que se utilizan para rastrear sus trayectorias a través del campo magnético y, de ese modo, permitir la determinación de su momento.

Fuera del campo magnético, una capa de detectores de tiempo mide el tiempo de paso de las partículas a una distancia de unos cuatro metros del objetivo. Dividiendo la longitud del recorrido de una partícula por el tiempo de viaje se obtiene la velocidad. Conocer el momento y la velocidad de una partícula permite identificarla a través de su masa. El detector CLAS también contiene detectores adicionales en la dirección de avance ( contadores Cherenkov y calorímetros electromagnéticos ) cuyo propósito es distinguir los electrones de otros tipos de partículas como los piones.

Se realizaron dos categorías de experimentos con CLAS: utilizando electrones en el haz y utilizando los llamados fotones reales creados mediante el haz de electrones. Los experimentos que utilizan dispersión de electrones investigan principalmente la estructura de los protones y sus excitaciones en varias "escalas de longitud" subnucleares. Los experimentos que utilizan haces de fotones reales investigan principalmente la producción y desintegración de mesones y bariones excitados.

Al final de este artículo se incluye un enlace a una lista de los artículos científicos y técnicos resultantes del programa CLAS. La gama de cuestiones abordadas es amplia, como se puede ver en la siguiente lista de temas que se presentan sin ningún orden en particular:

• Dispersión inelástica de electrones en el nucleón para estudiar la creación y desintegración de estados excitados del nucleón
• Fotoproducción y electroproducción de hiperones, explorando el espectro del estado fundamental y los bariones extraños excitados
• Fotoproducción de mesones a partir del nucleón, en busca de estados mesónicos no contemplados en el modelo de quarks
• Electrodesintegración de blancos nucleares para estudiar las correlaciones entre nucleones dentro del núcleo
• Dispersión de electrones inelástica profunda con producción de mesones utilizando un haz polarizado y/o un objetivo para estudiar la distribución 3D completa de quarks dentro del nucleón

• Universidad Estatal de Arizona - Tempe, AZ
• Universidad Estatal de California - Dominguez Hills, CA
• Universidad Carnegie Mellon - Pittsburgh, Pensilvania
• Universidad Católica de América - Washington, DC
• CEA-Saclay - Gif-sur-Yvette, Francia
• Universidad Christopher Newport, Newport News, Virginia
• Universidad Internacional de Florida - Miami, FL
• Universidad Estatal de Florida - Tallahassee, FL
• Universidad George Washington - Washington, DC
• Universidad Estatal de Idaho - Pocatello, ID
• INFN, Laboratori Nazionali di Frascati - Frascati, Italia
• INFN, Sezione di Genova - Génova, Italia
• Instituto de Física Nuclear - Orsay, Francia
• ITEP - Moscú, Rusia
• Universidad James Madison - Harrisonburg, Virginia
• Universidad Kyungpook - Daegu, Corea del Sur
• Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge (Massachusetts)
• Universidad Estatal de Moscú - Moscú, Rusia
• Universidad Estatal de Misisipi - Miss State, MS
• Universidad Estatal de Norfolk - Norfolk, VA
• Universidad Estatal Agrícola y Técnica de Carolina del Norte - Greensboro, Carolina del Norte
• Universidad de Ohio - Atenas, Ohio
• Universidad Old Dominion - Norfolk, Virginia
• Instituto Politécnico Rensselaer - Troy, Nueva York
• Universidad Rice - Houston, Texas
• El Colegio de William y Mary - Williamsburg, VA
• Instalación del acelerador nacional Thomas Jefferson - Newport News, VA
• Colegio Union - Schenectady, Nueva York
• Universidad Técnica Federico Santa María - Valparaíso, Chile
• Universidad de California en Los Ángeles - Los Ángeles, CA
• Universidad de Connecticut - Storrs, CT
• Universidad de Edimburgo - Edimburgo, Escocia
• Universidad de Glasgow - Glasgow, Escocia
• Universidad de Massachusetts - Amherst, MA
• Universidad de New Hampshire - Durham, NH
• Université Paris-Sud 11 - Orsay, Francia
• Universidad de Richmond - Richmond, VA
• Universidad de Carolina del Sur - Columbia, SC
• Universidad de Virginia - Charlottesville, VA
• Instituto Politécnico de Virginia - Blacksburg, VA
• Instituto de Física de Ereván - Ereván, Armenia

• Microtrón de Maguncia
• LEPS
• HERA
• HERMES

• Página web oficial del Hall-B en el Laboratorio Jefferson

• Descripción técnica del espectrómetro de gran aceptación CEBAF (CLAS)
• Una lista de publicaciones CLAS de INSPIRE-HEP
• Una lista de publicaciones de CLAS del sitio web de JLab Hall B