Seguimiento (física de partículas)

En física de partículas , el seguimiento ^{[ 1 ]} es el proceso de reconstruir la trayectoria (o rastro ) de partículas cargadas eléctricamente en un detector de partículas conocido como rastreador . Las partículas que entran en dicho rastreador dejan un registro preciso de su paso a través del dispositivo, mediante la interacción con componentes y materiales diseñados adecuadamente. La presencia de un campo magnético calibrado, en todo o parte del rastreador, permite determinar directamente el momento local de la partícula cargada a partir de la curvatura local reconstruida de la trayectoria para una carga eléctrica conocida (o supuesta) de la partícula.

Generalmente, la reconstrucción de trayectorias se divide en dos etapas. Primero, se realiza la búsqueda de trayectorias, donde se agrupan conjuntos de detecciones del detector que se cree que provienen de la misma trayectoria. Segundo, se realiza un ajuste de trayectorias. El ajuste de trayectorias es el procedimiento de ajustar matemáticamente una curva a las detecciones encontradas y, a partir de este ajuste, se obtiene el momento. ^{[ 2 ]}

La identificación y reconstrucción de trayectorias a partir de la salida digitalizada de un rastreador moderno puede lograrse, en los casos más simples, en ausencia de un campo magnético y material absorbente/dispersor, mediante ajustes de segmentos de línea recta. Un modelo helicoidal simple, para determinar el momento en presencia de un campo magnético, podría ser suficiente en casos menos simples, hasta un proceso completo (por ejemplo, filtro de Kalman ) , para proporcionar un modelo local reconstruido detallado a lo largo de toda la trayectoria en los casos más complejos. ^{[ 3 ]}

Esta reconstrucción de la trayectoria más el momento permite la proyección a través de otros detectores, que miden otras propiedades importantes de la partícula, como la energía o el tipo de partícula ( calorímetro , detector Cherenkov ). Estas partículas cargadas reconstruidas se pueden usar para identificar y reconstruir desintegraciones secundarias , incluidas las que surgen de partículas neutras "invisibles", como se puede hacer para el etiquetado de mesones B (en experimentos como CDF o en el LHC ) y para reconstruir eventos completos (como en muchos experimentos actuales de física de partículas, como ATLAS , BaBar , Belle y CMS ).

En física de partículas se han utilizado muchos dispositivos para el seguimiento. Estos incluyen cámaras de nube (1920–1950), placas de emulsión nuclear (1937–), cámaras de burbujas (1952–), ^{[ 4 ]} cámaras de chispas (1954–), cámaras proporcionales de múltiples hilos (1968–) y cámaras de deriva (1971–), ^{[ 5 ]} incluyendo cámaras de proyección de tiempo (1974–). Con la llegada de los semiconductores y la fotolitografía moderna , los rastreadores de estado sólido, también llamados rastreadores de silicio (1980–), ^{[ 6 ]} se utilizan en experimentos que requieren un seguimiento compacto, de alta precisión y de lectura rápida; por ejemplo, cerca del punto de interacción primaria en un colisionador como el LHC . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

El seguimiento se basa en la interacción de partículas cargadas con un material detector. A medida que las partículas atraviesan un campo magnético, siguen trayectorias curvas debido a la fuerza de Lorentz. Los pasos clave en la reconstrucción de la trayectoria incluyen:

Detección de impactos : Las partículas cargadas ionizan el material del detector, dejando señales medibles (impactos) en detectores de seguimiento como sensores de silicio o cámaras de deriva.

Agrupación y formación de puntos espaciales : los impactos cercanos se agrupan para mejorar la detección de la señal y suprimir el ruido.

Selección inicial de pistas : Los candidatos iniciales para las pistas se identifican utilizando un pequeño número de coincidencias, a menudo empleando técnicas de reconocimiento de patrones.

Búsqueda de trayectorias : Los impactos adicionales a lo largo de una trayectoria se asocian con las trayectorias predefinidas para ampliar y refinar las trayectorias candidatas.

Ajuste de trayectoria : se aplica un modelo matemático para determinar la trayectoria óptima que mejor describa los impactos detectados, teniendo en cuenta las incertidumbres de medición y las interacciones del material.

Resolución de ambigüedades : se comparan varias trayectorias candidatas y se seleccionan las más probables.

Reconstrucción de vértices : Las trayectorias se extrapolan para identificar los puntos de origen, lo que permite reconstruir los vértices de interacción.

En los experimentos modernos de física de altas energías se utilizan diversos tipos de detectores para el seguimiento de partículas:

Detectores de píxeles y tiras de silicio : proporcionan una resolución espacial precisa y se utilizan habitualmente en las capas de seguimiento internas de experimentos como ATLAS y CMS.

Cámaras de deriva : detectan electrones de ionización que se desplazan a la deriva en una cámara llena de gas, utilizadas en sistemas de seguimiento más antiguos y a gran escala.

Cámaras de Proyección Temporal (TPC, por sus siglas en inglés) : miden la posición de las trayectorias basándose en el tiempo de deriva de los electrones de ionización en un campo eléctrico uniforme.

Rastreadores de fibra centelleante : utilizan fibras centelleantes acopladas a fotodetectores para registrar las interacciones de partículas.