Método de coincidencia

En física de partículas , el método de coincidencia (o técnica de coincidencia ) es un diseño experimental a través del cual los detectores de partículas registran dos o más mediciones simultáneas de un evento particular a través de diferentes canales de interacción. La detección se puede realizar detectando la partícula primaria y/o mediante la detección de productos de reacción secundarios. Este método se utiliza para aumentar la sensibilidad de un experimento a una interacción de partículas específica, reduciendo la confusión con interacciones de fondo al crear más grados de libertad por los cuales la partícula en cuestión puede interactuar. El primer uso notable del método de coincidencia se realizó en 1924 mediante el experimento de coincidencia de Bothe-Geiger . ^[1]

Cuanto mayor sea la tasa de interacciones o productos de reacción que se puedan medir en coincidencia, más difícil será justificar que tal evento ocurrió a partir del flujo de fondo y mayor será la eficiencia del experimento. Como ejemplo, el experimento de neutrinos de Cowan y Reines (1956) utilizó un diseño que incluía una técnica de coincidencia cuádruple. ^[2] Los detectores de partículas que se basan en mediciones de coincidencia a menudo se denominan q-fold, donde q es el número de mediciones de canal que se deben activar para confirmar que tuvo lugar la interacción deseada. ^[3] Los contadores anti-coincidencia o "vetos" se utilizan a menudo para filtrar fondos comunes, como rayos cósmicos, para que no interactúen con el medio de detección primario. Por ejemplo, un veto de este tipo se utiliza en el observatorio de rayos gamma COS-B . Los detectores que se basan en diseños de coincidencia están limitados por eventos de coincidencia aleatorios y fortuitos. ^[4]

Los diseños de coincidencia son una técnica esencial para aumentar la confianza en las señales y reducir el fondo aleatorio dentro de una amplia gama de detectores de partículas. Los fondos comunes incluyen productos de desintegración radiactiva ( radiación beta , alfa y gamma ) y rayos cósmicos (protones, lluvias de aire ). Estos fondos pueden producir interacciones aleatorias dentro de un detector de partículas que pueden ser difíciles de diferenciar de la partícula objetivo. Si la partícula en cuestión es capaz de activar múltiples canales que están correlacionados en el tiempo o el espacio, se puede determinar con mayor probabilidad que la partícula no sea un activador de fondo. Pueden ocurrir eventos de coincidencia "casual", en los que todos los canales son activados por partículas que no están bajo investigación pero que interactúan con cada canal al mismo tiempo. ^{[4] [5]} En este caso, las mediciones de este evento casual pueden ser difíciles de separar de las mediciones de los eventos objetivo.

Un diseño de coincidencia debe contener dos o más canales medidos para detectar una interacción de partículas que se puedan correlacionar entre sí o con la interacción en cuestión a lo largo del tiempo, el espacio y/o las propiedades/productos de la interacción. Para algunas configuraciones experimentales con q canales de coincidencia (coincidencia de q veces), la tasa a la que se pueden medir eventos de coincidencia correlacionados verdaderos viene dada por: ${\textstyle R_{q}}$

${\displaystyle R_{q}=q\tau ^{q-1}\prod _{1}^{q}N_{q}}$

donde es la tasa de conteo de cada canal y es el tiempo entre conteos. Cuanto mayor sea la resolución temporal del detector de coincidencias, más fácil será discriminar entre coincidencias "casuales" y señales verdaderas. ^[3]$Estilo de visualización Nq$${\estilo de visualización \tau}$

La velocidad a la que se miden los eventos coincidentes en comparación con la velocidad a la que se miden todos los desencadenantes de señales sospechosos define la eficiencia del detector : ^[6]${\displaystyle R_{\rm {coincidencia}}}$${\displaystyle R_{\rm {sospechoso}}}$${\displaystyle \épsilon}$

${\displaystyle \epsilon ={\frac {R_{\rm {coincidencia}}}{R_{\rm {sospechoso}}}}}$

en cuyo caso también se puede definir como el producto de todos los q canales de coincidencia por el recuento bruto de partículas disponibles para la detección : ^[7]${\displaystyle R_{\rm {coincidencia}}}$${\estilo de visualización N}$

${\displaystyle R_{\rm {coincidencia}}=N\prod _{1}^{q}\epsilon _{q}}$

Por lo tanto, la capacidad de un detector para confirmar con éxito señales coincidentes es directamente proporcional a su eficiencia.

El uso de detectores de coincidencia en experimentos de física de partículas abrió las puertas a métodos similares en física nuclear , física de astropartículas y otros campos relacionados. En la actualidad, una amplia variedad de detectores de partículas operativos contienen alguna forma identificable de diseño de coincidencia o anticoincidencia.

En 1924, los físicos Walther Bothe y Hans Geiger utilizaron el método de coincidencia para investigar la dispersión Compton de rayos gamma y rayos X , un fenómeno cuya naturaleza mecánica cuántica (ver dualidad partícula-onda ) con respecto a la conservación de la energía era ambigua en ese momento. ^[1] El experimento de Bothe-Geiger fue el primer experimento de coincidencia significativo para probar la transferencia de energía entre el fotón entrante y el electrón en este proceso. El experimento utilizó dos contadores Geiger: uno para detectar la elección de retroceso inicial y otro para detectar simultáneamente un retroceso electrónico secundario causado por el producto fotónico del primer retroceso. Esta configuración incluía un circuito de coincidencia que medía el proceso a = 1 ms y con una precisión de 0,1 ms. ^[8] En 1954, Bothe ganó el Premio Nobel de Física por este trabajo. ^[8]${\estilo de visualización \tau}$

En 1956, se supo que para equilibrar los estados de espín de un proceso de desintegración beta , un neutrino de espín 1/2 tenía que ser un producto de la reacción , donde es un neutrón, es el neutrino, es un protón y es una partícula beta. En un intento de desarrollar el concepto teórico de un neutrino proporcionando evidencia empírica de su existencia, los físicos Clyde L. Cowan y Frederik Reines construyeron un experimento fuera de un reactor nuclear que se esperaba que emitiera neutrinos. Cowan y Reines decidieron construir un experimento de coincidencia cuádruple, ya que si bien la proximidad a un reactor nuclear proporcionaba un amplio flujo de neutrinos, también creaba fondos intensos (neutrones, rayos gamma, etc.). ${\displaystyle n^{0}\rightarrow \nu +p^{+}+\beta ^{-}}$${\estilo de visualización n^{0}}$${\estilo de visualización \nu}$${\displaystyle p^{+}}$${\displaystyle \beta ^{-}}$

El experimento utilizó múltiples canales de interacción a través de los cuales se podía detectar la presencia de un neutrino (o en este experimento, un antineutrino ). Los antineutrinos entrarían en un tanque de agua dopado con cloruro de cadmio e interactuarían con el protón de una molécula de agua. Esta reacción ( , donde representa un positrón y representa un antineutrino) liberó posiciones que interactuaron con uno de los dos tanques adyacentes de centelleador líquido. Los fotones resultantes podrían entonces medirse mediante tubos fotomultiplicadores instalados en los tanques de centelleador. Mientras ocurre esta interacción, el producto de neutrones de la reacción original sigue un recorrido aleatorio a través del agua dopada con cadmio hasta que es absorbido por un átomo de cadmio. Este proceso produce entonces más rayos gamma, que posteriormente se detectan. Por tanto, el sistema general incluye dos pares de eventos registrados simultáneamente, cuya correlación en el tiempo proporciona una fuerte evidencia de una interacción que involucra a un neutrino. ^[9]${\displaystyle p^{+}+\nu _{-}\rightarrow n^{0}+\beta ^{+}}$${\displaystyle \beta ^{+}}$${\displaystyle \nu _{-}}$

La invención del método de coincidencia dio lugar a nuevas técnicas para medir rayos cósmicos de alta energía . Uno de estos experimentos, el COS-B , se puso en marcha en 1975 y contaba con un veto anti-coincidencia para partículas cargadas, así como con tres detectores de centelleo para medir las cascadas de electrones causadas por la radiación gamma entrante. Por lo tanto, las interacciones de rayos gamma podían medirse con triple coincidencia, después de haber superado un veto de partículas cargadas (véase Anti-Coincidencia). ^[10]

• AGS ^[11]
• AMS ^[12]
• VELERO
• Cresta ^[13]
• XENÓN

El método de anti-coincidencia, de manera similar al método de coincidencia, ayuda a discriminar las interacciones de fondo de las señales objetivo. Sin embargo, los diseños de anti-coincidencia se utilizan para rechazar activamente partículas que no son señal en lugar de confirmar las partículas señal. ^[14] Por ejemplo, los contadores de anti-coincidencia se pueden utilizar para proteger partículas cargadas cuando un experimento busca explícitamente partículas neutrales, ^[15] como en el experimento de neutrinos SuperKamiokande . Estas partículas cargadas suelen ser rayos cósmicos .

Los detectores anti-coincidencia funcionan marcando o rechazando cualquier evento que active un canal del detector, pero no otro. Para una tasa dada de interacciones de partículas coincidentes , ${\displaystyle R_{\rm {coincidente}}}$

${\displaystyle R_{\rm {coincidencia}}=R_{\rm {sospechoso}}-R_{\rm {no correlacionado}}}$

donde es la tasa de interacciones objetivo sospechosas y es la tasa de todos los eventos detectados, pero no correlacionados en múltiples canales. ^[16] Esto muestra que todos los eventos no correlacionados, medidos utilizando la técnica de anti-coincidencia, se pueden eliminar del total de interacciones posibles para recuperar aquellas interacciones coincidentes afirmables. Para cualquier diseño q-fold, incluiría todos los eventos coincidentes y no correlacionados. ${\displaystyle R_{\rm {sospechoso}}}$${\displaystyle R_{\rm {no correlacionado}}}$${\displaystyle R_{sospechoso}}$

• Manual de detección y obtención de imágenes de partículas (Grupen, 2012)