cámara de proyección temporal

En física , una cámara de proyección temporal ( TPC , por sus siglas en inglés) es un tipo de detector de partículas que utiliza una combinación de campos eléctricos y magnéticos junto con un volumen sensible de gas o líquido para realizar una reconstrucción tridimensional de la trayectoria o interacción de una partícula.

El diseño original

El TPC original fue propuesto en 1974 por David R. Nygren , un físico estadounidense, ^{[ 1 ]} y desarrollado en el Laboratorio Lawrence Berkeley a finales de la década de 1970. ^{[ 2 ]} Su primera aplicación importante fue en el detector PEP-4, ^{[ 3 ]} que estudió colisiones electrón-positrón de 29 GeV en el anillo de almacenamiento PEP en SLAC .

Una cámara de proyección temporal consta de un volumen de detección lleno de gas en un campo eléctrico con un sistema de recolección de electrones sensible a la posición. El diseño original (y el más comúnmente utilizado) es una cámara cilíndrica con cámaras proporcionales de múltiples hilos (MWPC) como placas terminales. A lo largo de su longitud, la cámara está dividida en dos mitades mediante un disco de electrodo central de alto voltaje , que establece un campo eléctrico entre el centro y las placas terminales. Además, a menudo se aplica un campo magnético a lo largo del cilindro, paralelo al campo eléctrico, para minimizar la difusión de los electrones provenientes de la ionización del gas. Al pasar a través del gas detector, una partícula producirá ionización primaria a lo largo de su trayectoria. La coordenada z (a lo largo del eje del cilindro) se determina midiendo el tiempo de deriva desde el evento de ionización hasta la MWPC en el extremo. Esto se hace utilizando la técnica habitual de una cámara de deriva . La MWPC en el extremo está dispuesta con los hilos del ánodo en la dirección azimutal , θ , lo que proporciona información sobre la coordenada radial, r . Para obtener la dirección azimutal, cada plano del cátodo se divide en franjas a lo largo de la dirección radial.

En los últimos años, otros métodos de amplificación y detección de electrones sensibles a la posición se han vuelto más comunes, especialmente en combinación con la creciente aplicación de cámaras de proyección de tiempo en física nuclear . Estas suelen combinar una placa de ánodo segmentada con una rejilla de Frisch ^{[ 4 ]} o un elemento activo de multiplicación de electrones, como un multiplicador de electrones de gas ^{[ 5 ]} . Estas nuevas TPC también se apartan de la geometría tradicional de un cilindro con un campo axial, optando por una geometría plana ^{[ 4 ]} o un cilindro con un campo radial ^{[ 5 ] .}

Los primeros investigadores en física de partículas también solían utilizar una geometría más simplificada en forma de caja, dispuesta directamente encima o debajo de la línea del haz, como en los experimentos NA49 y NA35 del CERN .

La cámara de proyección de tiempo de argón líquido (LArTPC)

En 1974, William J. Willis y Veljko Radeka demostraron ^{[ 6 ]} que la calorimetría de absorción total era posible en detectores de argón líquido sin la amplificación que normalmente se produce en un detector de ionización gaseosa . Esta tecnología crucial hizo posible una cámara de proyección temporal basada en el diseño original de Nygren, pero utilizando argón líquido como medio sensible en lugar de gas.

En 1976, Herbert H. Chen , junto con colaboradores de la Universidad de California, Irvine y el Instituto Tecnológico de California , propuso uno de los primeros usos del argón líquido en una cámara de proyección temporal (LArTPC). ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Los objetivos iniciales de Chen con dicho detector eran estudiar la dispersión neutrino-electrón, pero los objetivos evolucionaron para medir neutrinos solares o cósmicos o la desintegración de protones. ^{[ 7 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

En 1977, Carlo Rubbia propuso de forma independiente y casi simultánea la construcción de un LArTPC en el CERN para experimentos de física de partículas de eventos raros. ^{[ 11 ]}^{[ 9 ]}

Diseño y propiedades del detector

El argón líquido es ventajoso como medio sensible por varias razones. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} El hecho de que el argón sea un elemento noble y, por lo tanto, tenga una electronegatividad nula significa que los electrones producidos por la radiación ionizante no serán absorbidos mientras se desplazan hacia la lectura del detector. El argón también centellea cuando pasa una partícula cargada energética, liberando una cantidad de fotones de centelleo que es proporcional a la energía depositada en el argón por la partícula que pasa. ^{[ 12 ]} El argón líquido también es relativamente económico, lo que hace que los proyectos a gran escala sean económicamente viables. Sin embargo, una de las principales motivaciones para usar argón líquido como medio sensible es su densidad. ^{[ 11 ]} El argón líquido es aproximadamente mil veces más denso que el gas utilizado en el diseño TPC de Nygren, lo que aumenta la probabilidad de que una partícula interactúe en un detector en un factor de aproximadamente mil. Esta característica es particularmente útil en la física de neutrinos , donde las secciones transversales de interacción neutrino- nucleón son pequeñas.

Diagrama del diseño y los principios básicos de funcionamiento de LArTPC.

El cuerpo de un LArTPC típico está formado por tres partes. En un lado del detector se encuentra un plano catódico de alto voltaje , utilizado para establecer un campo eléctrico de deriva a través del TPC. Si bien el potencial eléctrico exacto al que se ajusta depende de la geometría del detector, este cátodo de alto voltaje generalmente produce un campo de deriva de 500 V/cm a través del detector. ^{[ 12 ]}

En el lado opuesto al plano del cátodo se encuentra un conjunto de planos de alambre anódico con potenciales mucho más altos (menos negativos) que el del cátodo. Cada plano está separado de sus vecinos por un pequeño espacio, generalmente del orden de 1 cm. Un plano consta de muchos alambres conductores paralelos espaciados por unos pocos milímetros, y el ángulo de orientación de los alambres con respecto a la vertical varía de un plano a otro. En conjunto, estos planos leen las señales de los electrones de deriva . Para un detector con N planos de alambre anódico, los N − 1 planos internos se denominan planos de inducción. Estos se establecen a potenciales más bajos (más negativos) que el plano exterior, lo que permite que los electrones de deriva los atraviesen, induciendo señales que se utilizan para la reconstrucción de eventos. El plano exterior se denomina plano de recolección porque los electrones de deriva se recolectan en estos alambres, produciendo señales adicionales. Tener múltiples planos con diferentes orientaciones de alambre permite la reconstrucción de eventos bidimensional, mientras que la tercera dimensión se obtiene a partir de los tiempos de deriva de los electrones.

La tercera parte consiste en una jaula de campo entre el cátodo y el ánodo. Esta jaula mantiene un campo eléctrico uniforme entre el cátodo y el ánodo, de modo que las trayectorias de los electrones a la deriva se desvíen lo menos posible del camino más corto entre el punto de ionización y el plano del ánodo. Esto tiene como objetivo evitar la distorsión de la trayectoria de las partículas durante la reconstrucción del evento.

Un sistema de recolección de luz suele acompañar al LArTPC básico como medio para extraer más información de un evento mediante luz de centelleo. ^{[ 12 ]} También puede desempeñar un papel importante en el disparo, ya que recolecta la luz de centelleo solo nanosegundos después de que la partícula pasa a través del detector. Esto es comparativamente (del orden de 1000 veces) más corto que el tiempo que tardan los electrones liberados en derivar hacia los planos de alambre, por lo que a menudo es suficiente delimitar el tiempo de recolección de fotones de centelleo como un tiempo de disparo ( t ₀ ) para un evento. Con este tiempo de disparo, se pueden encontrar los tiempos de deriva de los electrones, lo que permite la reconstrucción tridimensional de un evento. Si bien estos sistemas no son el único medio por el cual un LArTPC puede identificar un tiempo de disparo, son necesarios para estudiar fenómenos como supernovas y desintegración de protones , donde las partículas que experimentan desintegración o interacción no se producen en un acelerador artificial y, por lo tanto, se desconoce la sincronización de un haz de partículas. ^{[ 12 ]} Los tubos fotomultiplicadores , las guías de luz y los fotomultiplicadores de silicio son ejemplos de instrumentos utilizados para recolectar esta luz. Estos se colocan típicamente justo fuera del volumen de deriva.

Lectura de señal

En un LArTPC típico, cada cable en cada plano del ánodo forma parte de un circuito RC , con el cable ubicado entre la resistencia y el condensador . El otro extremo de la resistencia está conectado a una tensión de polarización, y el otro extremo del condensador está conectado a la electrónica de entrada. La electrónica de entrada amplifica y digitaliza la corriente en el circuito. Esta corriente amplificada y digitalizada, en función del tiempo, es la "señal" que se transmite para la reconstrucción del evento.

Para un cable en el plano del ánodo, la señal producida tendrá una forma específica que depende de si el cable se encuentra en un plano de inducción o en un plano de recolección. Cuando un electrón de deriva se mueve hacia un cable en un plano de inducción, induce una corriente en el cable, produciendo un pico en la corriente de salida. Cuando el electrón se aleja del cable, induce una corriente en la dirección opuesta, produciendo un pico de salida de signo opuesto al primero. El resultado es una señal bipolar. ^{[ 13 ]} En cambio, las señales para un cable en el plano de recolección son unipolares, ya que los electrones no pasan por el cable, sino que son "recolectados" por él. Para ambas geometrías, una mayor amplitud de la señal implica que más electrones de deriva pasaron por el cable (para planos de inducción) o fueron recolectados por él (para el plano de recolección).

La señal de lectura de todos los cables en un plano anódico determinado se puede organizar en una imagen bidimensional de la interacción de partículas. Dicha imagen es una proyección de la interacción tridimensional de partículas sobre un plano bidimensional cuyo vector normal es paralelo a los cables en el plano anódico especificado. Las proyecciones bidimensionales correspondientes a cada uno de los planos anódicos se combinan para reconstruir completamente la interacción tridimensional.

TPC de doble fase

La técnica en sí se desarrolló por primera vez para la detección de radiación utilizando argón a principios de la década de 1970. ^{[ 14 ]} El programa ZEPLIN fue pionero en el uso de la tecnología de dos fases para la búsqueda de WIMP . Las series de detectores XENON y LUX representan la implementación más avanzada de este instrumento en física.