Detector Cherenkov de imágenes anulares

La técnica de detección de imágenes de anillo fue propuesta por primera vez por Jacques Séguinot y Tom Ypsilantis , quienes trabajaban en el CERN en 1977. ^{[ 1 ]} Su investigación y desarrollo de detectores de fotones individuales de alta precisión y óptica relacionada sentaron las bases para el diseño ^{[ 2 ] [ 3 ]} desarrollo ^{[ 4 ]} y construcción de los primeros detectores RICH de física de partículas a gran escala en la instalación OMEGA del CERN ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} y el experimento DELPHI del LEP ( Large Electron–Positron Collider ) . ^{[ 8 ]}

Un detector Cherenkov de imagen anular (RICH) permite la identificación de tipos de partículas subatómicas cargadas eléctricamente mediante la detección de la radiación Cherenkov emitida (en forma de fotones ) por la partícula al atravesar un medio con índice de refracción${\displaystyle n}$> 1. La identificación se logra mediante la medición del ángulo de emisión,${\displaystyle \theta _{c}}$, de la radiación Cherenkov , que está relacionada con la velocidad de la partícula cargada${\displaystyle v}$por

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

dónde${\displaystyle c}$es la velocidad de la luz .

El conocimiento del momento y la dirección de la partícula (normalmente disponible a partir de un espectrómetro de momento asociado ) permite una predicción${\displaystyle v}$para cada hipótesis del tipo de partículas; utilizando lo conocido${\displaystyle n}$del radiador RICH da una predicción correspondiente de${\displaystyle \theta _{c}}$que se puede comparar con el${\displaystyle \theta _{c}}$de los fotones Cherenkov detectados, indicando así la identidad de la partícula (generalmente como una probabilidad por tipo de partícula). Una distribución típica (simulada) de${\displaystyle \theta _{c}}$La relación entre el momento de la partícula fuente y el momento de los fotones Cherenkov individuales, producidos en un radiador gaseoso (n~1,0005, resolución angular~0,6 mrad), se muestra en la siguiente figura 1:

Los diferentes tipos de partículas siguen contornos distintos de masa constante, difuminados por la resolución angular efectiva del detector RICH; a momentos más altos, cada partícula emite una serie de fotones Cherenkov que, tomados en conjunto, dan una medida más precisa del promedio.${\displaystyle \theta _{c}}$que un solo fotón (véase la figura 3 a continuación), lo que permite que la separación efectiva de partículas se extienda más allá de los 100 GeV en este ejemplo. Esta identificación de partículas es esencial para la comprensión detallada de la física intrínseca de la estructura e interacciones de las partículas elementales. La esencia del método de imagen anular es diseñar un sistema óptico con detectores de fotones individuales que puedan aislar los fotones Cherenkov que emite cada partícula, para formar una única "imagen anular" a partir de la cual se pueda obtener una imagen anular precisa.${\displaystyle \theta _{c}}$se puede determinar.

Un diagrama polar de los ángulos Cherenkov de los fotones asociados con una partícula de 22 GeV/c en un radiador con${\displaystyle n}$=1,0005 se muestra en la Fig. 2; tanto el pión como el kaón están ilustrados; los protones están por debajo del umbral de Cherenkov, ${\displaystyle c/nv>1}$, sin producir radiación en este caso (lo que también sería una señal muy clara del tipo de partícula = protón, ya que las fluctuaciones en el número de fotones siguen la estadística de Poisson alrededor de la media esperada, de modo que la probabilidad de que, por ejemplo, un kaón de 22 GeV/c produzca cero fotones cuando se esperaban ~12 es muy pequeña; e ⁻¹² o 1 en 162755). El número de fotones detectados que se muestra para cada tipo de partícula es, a efectos ilustrativos, el promedio para ese tipo en un RICH que tiene${\displaystyle N_{c}}$~ 25 (ver más abajo). La distribución en azimut es aleatoria entre 0 y 360 grados; la distribución en${\displaystyle \theta _{c}}$se extiende con una resolución angular RMS de ~ 0,6 milirradianes .

Cabe señalar que, dado que los puntos de emisión de los fotones pueden estar en cualquier lugar de la trayectoria (normalmente rectilínea) de la partícula a través del radiador, los fotones emergentes ocupan un cono de luz en el espacio.

En un detector RICH, los fotones dentro de este cono de luz pasan a través de un sistema óptico e inciden sobre un detector de fotones sensible a la posición. Con un sistema óptico de enfoque adecuado, esto permite reconstruir un anillo, similar al de la figura 2, cuyo radio proporciona una medida del ángulo de emisión Cherenkov.${\displaystyle \theta _{c}}$.

El poder de resolución de este método se ilustra comparando el ángulo de Cherenkov por fotón (véase el primer gráfico, Fig. 1) con el ángulo medio de Cherenkov por partícula (promediado sobre todos los fotones emitidos por esa partícula) obtenido mediante imágenes de anillo (mostrado en la Fig. 3); la separación notablemente mejorada entre los tipos de partículas es muy clara.

Esta capacidad de un sistema RICH para resolver con éxito diferentes hipótesis sobre el tipo de partícula depende de dos factores principales, que a su vez dependen de los subfactores enumerados;

• La resolución angular efectiva por fotón ,${\displaystyle \sigma }$
  • Dispersión cromática en el radiador (${\displaystyle n}$varía con la frecuencia del fotón)
  • Aberraciones en el sistema óptico
  • Resolución de posición del detector de fotones
• El número máximo de fotones detectados en la imagen del anillo ,${\displaystyle N_{c}}$
  • La longitud del radiador a través del cual viaja la partícula
  • Transmisión de fotones a través del material del radiador
  • Transmisión de fotones a través del sistema óptico
  • Eficiencia cuántica de los detectores de fotones

${\displaystyle \sigma }$es una medida de la precisión óptica intrínseca del detector RICH.${\displaystyle N_{c}}$es una medida de la respuesta óptica del RICH; puede considerarse como el caso límite del número de fotones detectados producidos por una partícula cuya velocidad se aproxima a la de la luz, promediado sobre todas las trayectorias de partículas relevantes en el detector RICH. El número promedio de fotones Cherenkov detectados, para una partícula más lenta, de carga${\displaystyle q}$(normalmente ±1), emitiendo fotones en ángulo${\displaystyle \theta _{c}}$es entonces

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

y la precisión con la que se puede determinar el ángulo Cherenkov medio con estos fotones es aproximadamente

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

a la cual se debe agregar en cuadratura la precisión angular de la dirección medida de la partícula emisora, si no es despreciable en comparación con${\displaystyle \sigma _{m}}$.

Dado el momento conocido de la partícula emisora ​​y el índice de refracción del radiador, se puede predecir el ángulo de Cherenkov esperado para cada tipo de partícula y calcular su diferencia con respecto al ángulo de Cherenkov medio observado. Dividiendo esta diferencia por ${\displaystyle \sigma _{m}}$Luego proporciona una medida de la desviación en 'número de sigma' de la hipótesis con respecto a la observación, que puede utilizarse para calcular una probabilidad o verosimilitud para cada hipótesis posible. La siguiente figura 4 muestra la desviación en 'número de sigma' de la hipótesis del kaón con respecto a una imagen verdadera del anillo de piones ( π no k ) y de la hipótesis del pión con respecto a una imagen verdadera del anillo de kaones ( k no π ), en función del momento, para un RICH con${\displaystyle n}$= 1,0005,${\displaystyle N_{c}}$= 25,${\displaystyle \sigma }$= 0,64 milirradianes ;

También se muestra el número promedio de fotones detectados provenientes de piones ( Ngπ ) o de kaones ( Ngk ). Se puede observar que la capacidad del RICH para separar ambos tipos de partículas supera las 4 sigma en todo el rango entre el umbral y los 80 GeV/c, para finalmente descender por debajo de las 3 sigma alrededor de los 100 GeV.

Es importante señalar que este resultado corresponde a un detector "ideal" , con aceptación y eficiencia homogéneas, distribuciones de error normales y fondo nulo. Por supuesto, no existe tal detector, y en un experimento real se utilizan procedimientos mucho más sofisticados para tener en cuenta estos efectos: aceptación y eficiencia dependientes de la posición; distribuciones de error no gaussianas; y fondos variables y no despreciables dependientes del evento, donde la señal de cualquier traza constituye un fondo para el resto. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

En la práctica, para los estados finales de múltiples partículas producidos en un experimento típico de colisionador , la separación de kaones de otros hadrones de estado final , principalmente piones, es el propósito más importante del RICH. En ese contexto, las dos funciones más vitales del RICH, que maximizan la señal y minimizan los fondos combinatorios, son su capacidad para identificar correctamente un kaón como tal y su capacidad para no confundir un pión con un kaón . Las probabilidades relacionadas, que son las medidas habituales de detección de señal y rechazo de fondo en datos reales, se representan en la Fig. 5 a continuación para mostrar su variación con el momento (simulación con un 10 % de fondo aleatorio);

Cabe destacar que la tasa de identificación errónea de π → k de aproximadamente el 30 % a 100 GeV se debe, en su mayor parte, a la presencia de un 10 % de impactos de fondo (fotones falsos) en el detector simulado; la separación de 3 sigma en el ángulo Cherenkov medio (mostrada en la figura 4 anterior) por sí sola solo explicaría alrededor del 6 % de identificación errónea. En la literatura publicada se pueden encontrar análisis más detallados de este tipo para detectores RICH operativos.

Por ejemplo, el experimento LHCb del LHC del CERN estudia, entre otras desintegraciones de mesones B , el proceso particular B ⁰ → π ⁺ π ⁻ . La siguiente Fig. 6 muestra, a la izquierda, la distribución de masas de π ⁺ π ⁻ sin identificación RICH, donde se supone que todas las partículas son π ; la señal de interés B ⁰ → π ⁺ π ⁻ es la línea de puntos turquesa y está completamente enmascarada por el fondo debido a las desintegraciones B y Λ que involucran kaones y protones, y el fondo combinatorio de partículas no asociadas con la desintegración B ^{0. [ 9 ]}

A la derecha se muestran los mismos datos con la identificación RICH utilizada para seleccionar solo piones y rechazar kaones y protones; la señal B ⁰ → π ⁺ π ⁻ se conserva, pero todos los fondos relacionados con kaones y protones se reducen enormemente, de modo que la señal/fondo general de B ⁰ ha mejorado en un factor de ~ 6, lo que permite una medición mucho más precisa del proceso de desintegración.

Se utilizan detectores de enfoque y de enfoque por proximidad (Fig. 7). En un detector RICH de enfoque, los fotones son recogidos por un espejo esférico con distancia focal${\displaystyle f}$y enfocado sobre el detector de fotones situado en el plano focal. El resultado es un círculo con un radio${\displaystyle r=f\theta _{c}}$, independientemente del punto de emisión a lo largo de la trayectoria de la partícula (${\displaystyle \theta _{c}\ll 1}$Este esquema es adecuado para radiadores de bajo índice de refracción (es decir, gases) con una mayor longitud de radiador necesaria para crear suficientes fotones.

En el diseño de enfoque por proximidad más compacto, un delgado volumen de radiador emite un cono de luz Cherenkov que recorre una pequeña distancia, el espacio de proximidad, y es detectado en el plano del detector de fotones. La imagen es un anillo de luz cuyo radio está definido por el ángulo de emisión Cherenkov y el espacio de proximidad. El grosor del anillo está determinado principalmente por el grosor del radiador. Un ejemplo de un detector RICH de espacio de proximidad es el High Momentum Particle Identification ( HMPID, archivado el 12 de mayo de 2020 en Wayback Machine ), uno de los detectores de ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), que es uno de los cinco experimentos del LHC ( Large Hadron Collider ) en el CERN .

En un DIRC (Detección de luz Cherenkov reflejada internamente, Fig. 8), otro diseño de detector RICH, la luz que es capturada por reflexión interna total dentro del radiador sólido llega a los sensores de luz en el perímetro del detector, la sección transversal rectangular precisa del radiador preserva la información angular del cono de luz Cherenkov . Un ejemplo es el DIRC del experimento BaBar en SLAC .

El experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones, Fig. 9, utiliza dos detectores RICH para diferenciar entre piones y kaones . ^{[ 11 ]} El primero (RICH-1) se encuentra inmediatamente después del Localizador de Vértices (VELO) alrededor del punto de interacción y está optimizado para partículas de bajo momento, y el segundo (RICH-2) se encuentra después de las capas del imán y del detector de partículas y está optimizado para partículas de mayor momento. ^{[ 9 ]}

El espectrómetro magnético alfa AMS-02, figura 10, instalado recientemente en la Estación Espacial Internacional, utiliza un detector RICH en combinación con otros dispositivos para analizar los rayos cósmicos .