Ring-Imaging Cherenkov Detector: diferenças entre revisões
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O Ring-imaging Cherenkov detector, ou '' 'RICH' '', é um dispositivo para identificar o tipo de uma [[eletricamente carregada]] [[partícula subatômica]] de [[momentum]] conhecido , que atravessa um meio [[transparência e translucidez | transparente]] [[refrativo]], por medição da presença e características da [[radiação Cherenkov]] emitida durante essa passagem. Os detectores RICH foram desenvolvidos pela primeira vez na década de 1980 e são usados em experimentos de alta energia [[partícula elementar]] -, [[física nuclear | nuclear]] - e [[astrofísica]]. |
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{{ESR2|1=18 de junho|marcação=20210618|assunto=Ciência|2=Artigo sem [[WP:FF|fontes fiáveis]] e [[WP:FI|independentes]] que confirmem as afirmações do texto e atestem notoriedade. Ver [[WP:V|princípio da verificabilidade]] e [[WP:CDN|critérios de notoriedade]]. Páginas pessoais, fóruns, blogues e redes sociais (como Facebook, Twitter, etc.) não são fontes fiáveis. [[Usuário:Yanguas|<span style="color:#FF2400;font-family:Forte;font-size:12pt">Y</span><span style="color:#808080;font-family:Forte;font-size:10pt">anguas</span>]] <sup>[[Usuário Discussão:Yanguas|diz!]]-[[Especial:Contribuições/Yanguas|fiz]]</sup> 03h33min de 11 de junho de 2021 (UTC)}} |
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O Ring-Imaging Cherenkov Detector (RICH), ou detector Cherenkov de imagem em anel, é um dispositivo para identificar o tipo de uma partícula subatômica eletricamente carregada de momento conhecido, que atravessa um meio refratário transparente, por meio da medição da presença e características da radiação Cherenkov emitida durante essa travessia. Os detectores RICH foram desenvolvidos pela primeira vez na década de 1980 e são usados em experimentos astrofísicos, nucleares e de partículas elementares de alta energia. |
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Este artigo descreve as origens e os princípios do detector RICH, com breves exemplos de suas diferentes formas em experimentos de física moderna. |
Este artigo descreve as origens e os princípios do detector RICH, com breves exemplos de suas diferentes formas em experimentos de física moderna. |
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== Detector Cherenkov (RICH) de imagem de anel == |
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== Ring-Imaging Cherenkov Detector (RICH) == |
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=== Origens === |
=== Origens === |
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A técnica de detecção de imagem em anel foi proposta pela primeira vez por Jacques Séguinot e Tom Ypsilantis, trabalhando no CERN em 1977 |
A técnica de detecção de imagem em anel foi proposta pela primeira vez por Jacques Séguinot e [[Tom Ypsilantis]], trabalhando no [[CERN]] em 1977. |
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<ref> {{citar jornal|ultimo1=Seguinot|primeiro1=J.|ultimo2=Ypsilantis|primeiro2=T.|titulo=|titulo="Photo-ionization and Cherenkov ring imaging".|titulotrad=Fotoionização e imagem em anel Cherenkov|jornal=Nuclear Instruments and Methods|lingua=en|data=1977|volume=142|issue=3|páginas=377–391|doi=10.1016/0029-554X(77)90671-1|bibcode=1977NucIM.142..377S}} </ref> |
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Sua pesquisa e desenvolvimento de detectores de fóton único de alta precisão e óptica relacionada estabelecem as bases para o projeto |
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<ref> {{citar jornal|ultimo1=Williams|primeiro1=S. H.|ultimo2=Leith|primeiro2=D. W. G. S.|ultimo3=Poppe|primeiro3=M.|ultimo4=Ypsilantis|primeiro4=T.|titulo="An Evaluation of Detectors for a Cerenkov Ring-Imaging Chamber"|titulotrad=Uma avaliação de detectores para uma câmara de imagem do anel Cerenkov|url=http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/11/523/11523201.pdf?r=1|jornal=IEEE Transactions on Nuclear Science|data=1980|volume=27|issue=1|páginas=91–95|doi=10.1109/TNS.1980.4330809|bibcode=1980ITNS...27...91W|lingua=en}} </ref> |
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<ref> {{citar jornal|ultimo1=Ekelöf|primeiro1=T.|ultimo2=Séguinot|primeiro2=J.|ultimo3=Tocqueville|primeiro3=J.|ultimo4=Ypsilantis|primeiro4=T.|titulo="The Cerenkov Ring-Imaging Detector: Recent Progress and Future Development"|titulotrad=O detector de imagens do anel Cerenkov: progresso recente e desenvolvimento futuro|jornal=Physica Scripta|data=1981|volume=23|issue=4B|páginas=718–726|doi=10.1088/0031-8949/23/4B/023|bibcode=1981PhyS...23..718E|url=http://cds.cern.ch/record/878264|lingua=en}} </ref> |
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desenvolvimento |
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<ref> {{citar jornal|ultimo=Glass|primeiro=H.|departamento=etal|titulo="Identification of High Transverse Momentum Hadrons With a Ring Imaging Cherenkov Counter"|titulotrad=Identificação de hádrons de alto momento transversal com um Detector Cherenkov de imagem em anel|jornal=IEEE Trans. Nucl. Sci.|data=1985|volume=NS-32|páginas=692–696|url=https://inspirehep.net/literature/238444|lingua=en}} </ref> |
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e construção da primeira [[física de partículas]] em grande escala Detectores RICH, nas instalações OMEGA do [[CERN]] |
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<ref> {{citar livro|titulo=Em 1972, o espectrômetro OMEGA foi comissionado na Área Oeste e mais de um milhão de colisões foram registradas naquele primeiro ano | url = http://cds.cern.ch/search?recid=41545 | year = 1972}} </ref> <ref> {{cite journal | last1 = Apsimon | first1 = R. J. | display-owners = etal | title = O desempenho operacional recente do detector cerenkov de imagem em anel ômega CERN | journal = IEEE Transactions on Nuclear Science | date = 1986 | volume = 33 | issue = 1 | pages = 122–131 | doi = 10.1109 / TNS.1986.4337063 | bibcode = 1986ITNS ... 33..122A | url = https: //digital.library.unt.edu/ark: / 67531 / metadc1212528 /}} </ref> e LEP ([ [Grande Colisor Eletron-Pósitron]]) [[Experimento DELPHI]]. <ref> {{cite journal | last1 = Arnold | first1 = R. | display-owners = etal | title = Um detector Cherenkov de imagem em anel, o DELPHI Barrel RICH Prototype | journal = Instrumentos e métodos nucleares na seção de pesquisa física | date = 1988 | volume = 270 | issue = 2–3 | pages = 255 –288 | doi = 10.1016 / 0168-9002 (88) 90695-X | bibcode = 1988NIMPA.270..255A}} </ref> |
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=== Princípios === |
=== Princípios === |
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Um detector Cherenkov de imagem em anel (RICH) permite a identificação de tipos de partículas subatômicas |
Um detector Cherenkov de imagem em anel (RICH) permite a identificação de tipos de [[partículas subatômicas]] carregadas eletricamente através da detecção da [[radiação Cherenkov]] emitida (como [[fótons]]) pela partícula ao atravessar um meio com [[índice de refração]] <math> n </math> 1. A identificação é obtida pela medição do ângulo de emissão, <math> \ theta_c </math>, da [[radiação Cherenkov]], que é relacionado à velocidade da partícula carregada <math> v </math> por |
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: <math> \ cos \ theta_c = \ frac {c} {nv} </math> |
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onde <math> c </math> é a velocidade da luz. |
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O conhecimento do [[momentum]] e da direção da partícula (normalmente disponível a partir de um momentum associado - [[espectrômetro]]) permite um <math> v </math> previsto para cada hipótese do tipo de partículas; usando o <math> n </math> conhecido do radiador RICH dá uma previsão correspondente de <math> \ theta_c </math> que pode ser comparada ao <math> \ theta_c </math> dos fótons Cherenkov detectados, indicando assim a identidade da partícula (geralmente como uma probabilidade por tipo de partícula). Uma distribuição típica (simulada) de <math> \ theta_c </math> vs momento da partícula fonte, para fótons Cherenkov únicos, produzidos em um radiador gasoso (n ~ 1,0005, resolução angular ~ 0,6mrad) |
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Os diferentes tipos de partículas seguem contornos distintos de massa constante, manchados pela resolução angular efetiva do detector RICH; em momentos mais elevados, cada partícula emite um número de fótons Cherenkov que, juntos, fornecem uma medida mais precisa da média <math> \ theta_c </math> do que um único fóton, permitindo que a separação efetiva de partículas se estenda além de 100 GeV neste exemplo. |
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onde <math>c</math> é a velocidade da luz. |
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Essa identificação de partículas é essencial para o entendimento detalhado da física intrínseca da estrutura e das interações das partículas elementares. A essência do método de imagem em anel é conceber um sistema óptico com detectores de fóton único, que pode isolar os fótons Cherenkov que cada partícula emite, para formar uma única "imagem de anel" a partir da qual um <math> \ theta_c </math> pode ser determinada. |
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<math> c / nv> 1 </math>, |
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O conhecimento do [[Momento linear|momento]] e da direção da partícula (normalmente disponível a partir de um [[Espectrômetro|espectrômetro de]] momento associado) permite uma previsão de <math> v </math> para cada hipótese do tipo de partícula; usando o conhecido <math> n </math> do radiador RICH dá uma previsão correspondente de <math> \theta_c </math> que pode ser comparado ao <math> \theta_c </math> dos fótons Cherenkov detectados, indicando assim a identidade da partícula (geralmente como uma probabilidade por tipo de partícula). Uma distribuição típica (simulada) de <math> \theta_c </math> vs momento da partícula de origem, para fótons de Cherenkov únicos, produzidos em um radiador gasoso (n ~ 1,0005, resolução angular ~ 0,6mrad) é mostrado na figura a seguir |
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não produzindo radiação neste caso (o que também seria um sinal muito claro do tipo de partícula = próton, uma vez que as flutuações no número de fótons seguem [[estatísticas de Poisson]] sobre a média esperada, de modo que a probabilidade de, por exemplo, um 22 GeV / c kaon produzindo zero fótons quando ~ 12 eram esperados é muito pequeno; '' e <sup> -12 </sup> '' ou 1 em 162755) O número de fótons detectados mostrado para cada tipo de partícula é, para fins de ilustração, o média para esse tipo em um RICH tendo <math> N_c </math> ~ 25. A distribuição em azimute é aleatória entre 0 e 360 graus; a distribuição em <math> \ theta_c </math> é espalhada com resolução angular RMS ~ 0,6 [[miliradiano]] s. |
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Os diferentes tipos de partículas seguem perfis distintos de massa constante, alargados pela resolução angular efetiva do detector RICH; com momentos mais elevados, cada partícula emite um número de fótons de Cherenkov que, juntos, fornecem uma medida mais precisa da média <math> \theta_c </math> do que um único fóton, permitindo que a separação efetiva entre partículas se estenda além de 100 GeV neste exemplo. Essa identificação de partículas é essencial para o entendimento detalhado da física intrínseca da estrutura e das interações das partículas elementares. A essência do método de imagem em anel é conceber um sistema óptico com detectores de fóton único, que pode isolar os fótons de Cherenkov que cada partícula emite, para formar uma única "imagem de anel" a partir da qual um preciso <math> \theta_c </math> pode ser determinado. |
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Um gráfico polar dos ângulos Cherenkov dos fótons associados a uma partícula de 22 GeV/c em um radiador com <math>n</math> = 1,0005 é mostrado abaixo; tanto o [[píon]] quanto o [[Káon|kaon]] são ilustrados; [[Próton|prótons]] estão abaixo do limite de Cherenkov, <math> c/nv > 1 </math>, não produzindo radiação neste caso (o que também seria um sinal muito claro do tipo de partícula = próton, uma vez que as flutuações no número de fótons seguem as [[Distribuição de Poisson|estatísticas de Poisson]] ao redor da média esperada, de modo que a probabilidade de, por exemplo, um káon de 22 GeV/c produzir zero fótons quando ~ 12 eram esperados é muito pequena; ''e<sup>−12</sup>'' ou 1 em 162755). O número de fótons detectados mostrado para cada tipo de partícula é, para fins de ilustração, a média para esse tipo em um RICH tendo <math>N_c</math> ~ 25 (veja abaixo). A distribuição azimutal é aleatória entre 0 e 360 graus; a distribuição em <math> \theta_c </math> é espalhado com resolução angular RMS ~ 0,6 [[Mil angular|miliradianos]] . |
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Observe que, como os pontos de emissão dos fótons podem estar em qualquer lugar na trajetória (normalmente em linha reta) da partícula através do radiador, os fótons emergentes preenchem um cone de luz no espaço. |
Observe que, como os pontos de emissão dos fótons podem estar em qualquer lugar na trajetória (normalmente em linha reta) da partícula através do radiador, os fótons emergentes preenchem um cone de luz no espaço. |
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Em um detector RICH, os fótons dentro desse cone de luz passam por um sistema óptico e colidem com um detector de fótons sensível à posição. Com um sistema óptico de foco adequado, isso permite a reconstrução de um anel, semelhante ao acima, o raio do qual dá uma medida do ângulo de emissão Cherenkov <math> \ theta_c </math>. |
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Esta capacidade de um sistema RICH de resolver com sucesso diferentes hipóteses para o tipo de partícula depende de dois fatores principais, que por sua vez dependem dos subfatores listados; |
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Em um detector RICH, os fótons dentro desse cone de luz passam por um sistema óptico e atingem um detector de fótons sensível à posição. Com um sistema óptico de foco adequado, isso permite a reconstrução de um anel, semelhante ao acima, o raio do qual dá uma medida do ângulo de emissão de Cherenkov <math> \theta_c </math> . O poder de resolução deste método é ilustrado comparando o ângulo Cherenkov por fóton, veja o primeiro gráfico acima, com o ângulo Cherenkov médio por partícula (com a média sobre todos os fótons emitidos por aquela partícula) obtido por imagem em anel, mostrado abaixo; a separação altamente aprimorada entre os tipos de partículas é muito clara: |
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* A resolução angular efetiva por fóton, <math> \ sigma </math> |
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** '' Dispersão cromática no radiador '' (<math> n </math> varia com a frequência do fóton) |
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Essa capacidade de um sistema RICH de esclarecer com sucesso diferentes hipóteses para o tipo de partícula depende de dois fatores principais, que por sua vez dependem dos subfatores listados; |
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** '' Aberrações no sistema óptico '' |
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** '' Resolução da posição do detector de fótons '' |
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* A resolução angular efetiva por fóton, <math> \sigma </math> |
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* O número máximo de fótons detectados na imagem do anel, <math>N_c</math> |
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** ''Dispersão cromática no radiador'' ( <math> n </math> varia com a frequência de fótons) |
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** '' O comprimento do radiador através do qual a partícula viaja '' |
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** ''Aberrações no sistema óptico'' |
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** '' |
** '' Transmissão de fótons através do material do radiador '' |
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* |
** '' Transmissão de fótons através do sistema óptico '' |
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** '' Eficiência quântica dos detectores de fótons '' |
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** ''O comprimento do radiador através do qual a partícula viaja'' |
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<math> \ sigma </math> é uma medida da precisão óptica intrínseca do detector RICH. <math> N_c </math> é uma medida da resposta óptica do RICH; pode ser pensado como o caso limite do número de fótons realmente detectados produzidos por uma partícula cuja velocidade se aproxima da da luz, calculada a média de todas as trajetórias de partículas relevantes no detector RICH. O número médio de fótons Cherenkov detectados, para uma partícula mais lenta, de carga <math> q </math> (normalmente ± 1), emitindo fótons no ângulo <math> \ theta_c </math> é então |
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** ''Transmissão de fótons através do material do radiador'' |
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: <math> N = \ dfrac {N_c q ^ 2 \ sin ^ 2 (\ theta_c)} {1 - \ dfrac {1} {n ^ 2}} </math> |
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** ''Transmissão de fótons através do sistema óptico'' |
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** ''Eficiência quântica dos detectores de fótons'' |
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<math> \sigma </math> é uma medida da precisão óptica intrínseca do detector RICH. <math>N_c</math> é uma medida da resposta óptica do RICH; pode ser pensado como o caso limite do número de fótons realmente detectados produzidos por uma partícula cuja velocidade se aproxima da da luz, calculada na média de todas as trajetórias de partículas relevantes no detector RICH. O número médio de fótons de Cherenkov detectados, para uma partícula mais lenta, de carga <math>q</math> (normalmente ± 1), emitindo fótons em ângulo <math> \theta_c </math> é então |
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: <math> N = \dfrac{N_c q^2 \sin^2(\theta_c)}{1 - \dfrac{1}{n^2}} </math> |
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e a precisão com a qual o ângulo médio de Cherenkov pode ser determinado com esses fótons é de aproximadamente |
e a precisão com a qual o ângulo médio de Cherenkov pode ser determinado com esses fótons é de aproximadamente |
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: <math> \ sigma_m = \ frac {\ sigma} {\ sqrt {N}} </math> |
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ao qual a precisão angular da direção medida da partícula emissora deve ser adicionada em quadratura, se não for desprezível em comparação com <math> \ sigma_m </math>. |
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Dado o momento conhecido da partícula emissora e o índice de refração do radiador, o ângulo de Cherenkov esperado para cada tipo de partícula pode ser previsto e sua diferença em relação ao ângulo de Cherenkov médio observado. Dividindo esta diferença por <math> \ sigma_m </math> então dá uma medida do desvio 'número de sigma' da hipótese da observação, que pode ser usada no cálculo de uma probabilidade ou probabilidade para cada hipótese possível. |
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<ref name="Adinolfi"> {{citar jornal|ultimo1=Adinolfi|primeiro1=M.|autor=etal|titulo="Performance of the LHCb RICH detector at the LHC"|titulotrad=Desempenho do detector LHCb RICH no LHC|jornal=The European Physical Jornal C|data=2013|volume=73|issue=5|páginas=2431|url=HTTPS://arxiv.org/abs/1211.6759|bibcode=2013EPJC...73.2431A|doi=10.1140/epjc/s10052-013-2431-9|pmid=25814859|pmc=4371097|lingua=en}}</ref> |
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<ref> {{citar jornal|ultimo1=Wilkinson|primeiro1=G.|titulo="In search of the rings: Approaches to Cherenkov ring finding and reconstruction in high energy physics".|titulotrad=Em busca dos anéis: abordagens para encontrar e reconstruir anéis Cherenkov em física de alta energia|jornal=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A|data=2008|volume=595|edição=1|páginas=228–232|doi=10.1016/j.nima.2008.07.066|bibcode=2008NIMPA.595..228W|lingua=en}} </ref> |
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Na prática, para os estados finais multipartículas produzidos em um experimento típico [[colisor]], a separação de kaons de outro estado final [[hadrons]], principalmente píons, é o propósito mais importante do RICH. Nesse contexto, as duas funções RICH mais vitais, que maximizam o sinal e minimizam os fundos combinatórios, são sua capacidade de "identificar corretamente um kaon como um kaon" e sua capacidade "de não identificar erroneamente um pion como um kaon". |
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: <math>\sigma_m = \frac{\sigma}{\sqrt{N}}</math> |
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Por exemplo, o experimento [[LHCb]] nos estudos do CERN LHC, entre outros '' [[B-meson]] '' decai, o processo particular '' B <sup> 0 </sup>? p <sup> + </sup> p <sup> - </sup> ''. |
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<ref name="Adinolfi"/> |
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ao qual a precisão angular da direção medida da partícula emissora deve ser adicionada em quadratura, se não for desprezível em comparação com <math>\sigma_m</math> . |
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=== Tipos RICH === |
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No design de foco de proximidade mais compacto, um volume de radiador fino emite um cone de luz Cherenkov que atravessa uma pequena distância, a lacuna de proximidade, e é detectado no plano do detector de fótons. A imagem é um anel de luz cujo raio é definido pelo ângulo de emissão Cherenkov e a lacuna de proximidade. A espessura do anel é determinada principalmente pela espessura do radiador. Um exemplo de detector RICH de lacuna de proximidade é o High Momentum Particle Identification ([http://alice-hmpid.web.cern.ch HMPID]), um dos detectores de ALICE ([[A Large Ion Collider Experiment]]), que é um dos cinco experimentos no LHC ([[Large Hadron Collider]]) em [[CERN]]. |
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Dado o momento conhecido da partícula emissora e o índice de refração do radiador, o ângulo de Cherenkov esperado para cada tipo de partícula pode ser previsto, e sua diferença em relação ao ângulo de Cherenkov médio observado pode ser calculada. Dividindo essa diferença por <math> \sigma_m </math> dá uma medida do 'número de sigmas' do desvio da hipótese com relação à observação, que pode ser usada no cálculo de uma probabilidade para cada hipótese possível. A figura a seguir mostra o 'número de sigmas' do desvio da hipótese káon com relação a uma imagem em anel verdadeira do píon ( ''π não k'' ) e da hipótese do píon com relação a uma imagem em anel verdadeira do káon ( ''k não π'' ), em função do momento, para um RICH com <math>n</math> = 1,0005, <math>N_c</math> = 25, <math> \sigma </math> = 0,64 [[Mil angular|milirradianos]] ; |
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Em um [[DIRC (detector) | DIRC]] (Detecção de luz Cherenkov refletida internamente), outro projeto de um detector RICH, a luz que é capturada por reflexão interna total dentro do radiador sólido atinge os sensores de luz no perímetro do detector, o seção transversal retangular precisa do radiador preservando a informação angular do cone de luz Cherenkov. Um exemplo é o DIRC do experimento [[BaBar]] em [[SLAC]]. |
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O experimento [[LHCb]] no Grande Colisor de Hádrons usa dois detectores RICH para diferenciar entre [[pion]] se [[kaon]] s. |
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Também é mostrado o número médio de fótons detectados de píons ( Ngπ ) ou de káons ( Ngk ). Pode-se ver que a capacidade do RICH de separar os dois tipos de partículas excede 4-sigma em qualquer lugar entre o limite e 80 GeV/c, finalmente caindo abaixo de 3-sigma em cerca de 100 GeV. É importante notar que este resultado é para um detector 'ideal', com aceptância e eficiência homogêneas, distribuições de erro normais e zero contaminação de fundo. Esse tipo de detector não existe, é claro, e em um experimento real procedimentos muito mais sofisticados são usados para explicar esses efeitos; aceptância e eficiência dependentes da posição; distribuições de erro não gaussianas; contaminações de fundo não desprezíveis e dependentes de variáveis de eventos. |
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<ref> {{citar jornal|ultimo1=Alves|primeiro1=A. A., Jr.|titulo="Performance of the LHCb RICH detector at the LHC"|titulotrad=O LHCb Detector no LHC|jornal=Journal of Instrumentation|data=2008|volume=3|issue=8|páginas=S08005|doi=10.1088/1748-0221/3/08/S08005|bibcode=2008JInst...3S8005L|hdl=10251/54510|hdl-access=free|lingua=en}} </ref> |
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O primeiro (RICH-1) está localizado imediatamente após o localizador de vértices (VELO) em torno do ponto de interação e é otimizado para partículas de baixo momento e o segundo (RICH-2) está localizado após as camadas [[ímã]] e rastreador de partículas e otimizado para partículas de maior momento. <ref name="Adinolfi"/> <p> |
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Na prática, para os estados finais de muitas partículas produzidos em um experimento típico de colisor, a separação entre káons e outros hádrons de estado final, principalmente píons, é o objetivo mais importante do RICH. Nesse contexto, as duas funções do RICH mais vitais, que maximizam o sinal e minimizam as contaminações de fundo combinatórias, são sua capacidade de identificar corretamente um káon como um káon e sua capacidade de não identificar erroneamente um píon como um káon. As probabilidades relacionadas, que são as medidas usuais de detecção de sinal e rejeição de fundo em dados reais, são plotadas abaixo para mostrar sua variação com o momento (simulação com contaminação de fundo aleatória de 10%); |
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O dispositivo [[Alpha Magnetic Spectrometer]] AMS-02, recentemente montado na [[International Space Station]], usa um detector RICH em combinação com outros dispositivos para analisar [[raios cósmicos]]. |
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==Referências== |
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Observe que a taxa de identificação incorreta de ~ 30% π → k em 100 GeV é, na maior parte, devido à presença de 10% de acertos da contaminação de fundo (fótons falsos) no detector simulado; a separação de 3-sigma no ângulo médio de Cherenkov (mostrado no 4º gráfico acima) seria, por si só, responsável por cerca de 6% de identificação incorreta. Análises mais detalhadas do tipo, para detectores RICH operacionais, podem ser encontradas na literatura publicada. |
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{{referências}} |
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Por exemplo, o experimento LHCb no LHC do CERN estuda, entre outros decaimentos do méson B, o processo particular ''B<sup>0</sup> → π<sup>+</sup>π<sup>−</sup>''. A figura a seguir mostra, à esquerda, a distribuição da massa invariante do par ''π<sup>+</sup>π<sup>−</sup>''sem identificação do RICH, onde todas as partículas são assumidas como π; o sinal de interesse ''B<sup>0</sup> → π<sup>+</sup>π<sup>−</sup>'' é a linha pontilhada turquesa e é completamente inundado pelo fundo devido a decaimentos B e Λ envolvendo káons e prótons, e contaminação de fundo combinatória de partículas não associadas ao decaimento ''B<sup>0</sup>''. |
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[[Ficheiro:LHCb_RICH_Btoππ.jpg|nenhum|miniaturadaimagem| LHCb RICH Btoππ]] |
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À direita estão os mesmos dados com identificação do RICH usados para selecionar apenas píons e rejeitar káons e prótons; o sinal ''B<sup>0</sup> → π<sup>+</sup>π<sup>−</sup>'' é preservado, mas todos os fundos relacionados a káons e prótons são bastante reduzidos, de modo que a razão total sinal/fundo do ''B<sup>0</sup>'' melhorou por um fator ~ 6, permitindo uma medição muito mais precisa do processo de decaimento. |
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[[Ficheiro:RICH_two_types02_2013-03-15.svg|direita|miniaturadaimagem| designs de detector RICH focalizador e focalizador com intervalo de proximidade]] |
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Ambos os detectores focalizadores e focalizadores com intervalo de proximidade estão em uso. Em um detector RICH focalizador, os fótons são coletados por um espelho esférico com comprimento focal <math>f</math> e focados no detector de fótons localizado no plano focal. O resultado é um círculo com um raio <math>r = f\theta_c</math>, independente do ponto de emissão ao longo da trajetória da partícula ( <math>\theta_c \ll 1</math> ). Este esquema é adequado para radiadores de baixo índice de refração (ou seja, gases), tendo o comprimento de radiador maior necessário para criar fótons suficientes. |
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No design focalizador com intervalo de proximidade, que é mais compacto, um volume de radiador fino emite um cone de luz Cherenkov que atravessa uma pequena distância, o intervalo de proximidade, e é detectado no plano do detector de fótons. A imagem é um anel de luz cujo raio é definido pelo ângulo de emissão Cherenkov e o intervalo de proximidade. A espessura do anel é determinada principalmente pela espessura do radiador. Um exemplo de detector RICH de intervalo de proximidade é o Identificação de Partículas de Alto Momento (sigla em inglês, HMPID, para High Momentum Particle Identification), um dos detectores do ALICE (Experimento do Grande Colisor de Íons), que é um dos cinco experimentos do LHC ([[Grande Colisor de Hádrons]]) do CERN . |
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[[Ficheiro:DIRC_Schema01_2013-03-15.svg|direita|miniaturadaimagem| Detector DIRC]] |
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Em um DIRC (Detection of Internally Reflected Cherenkov light, ou Detecção de Luz Cherenkov Refletida Internamente), outro desenho de um detector RICH, a luz que é capturada por reflexão interna total dentro do radiador sólido atinge os sensores de luz no perímetro do detector, e a seção transversal retangular precisa do radiador preserva a informação angular do cone de luz Cherenkov. Um exemplo é o DIRC do BaBar experimento em SLAC . |
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[[Ficheiro:Lhcbview.jpg|esquerda|miniaturadaimagem| Detector LHCb]] |
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O experimento LHCb no Grande Colisor de Hádrons usa dois detectores RICH para diferenciar entre píons e káons . O primeiro (RICH-1) está localizado imediatamente após o Localizador de Vértices (VELO) em torno do ponto de interação e é otimizado para partículas de baixo momento e o segundo (RICH-2) está localizado após o ímã e as camadas do sistema de rastreamento de partículas e otimizado para partículas de maior momento. |
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O dispositivo Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02, recentemente montado na Estação Espacial Internacional, usa um detector RICH em combinação com outros dispositivos para analisar os raios cósmicos. |
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Revisão das 03h06min de 19 de junho de 2021
O Ring-imaging Cherenkov detector, ou 'RICH' , é um dispositivo para identificar o tipo de uma eletricamente carregada partícula subatômica de momentum conhecido , que atravessa um meio transparente refrativo, por medição da presença e características da radiação Cherenkov emitida durante essa passagem. Os detectores RICH foram desenvolvidos pela primeira vez na década de 1980 e são usados em experimentos de alta energia partícula elementar -, nuclear - e astrofísica. Este artigo descreve as origens e os princípios do detector RICH, com breves exemplos de suas diferentes formas em experimentos de física moderna.
Detector Cherenkov (RICH) de imagem de anel
Origens
A técnica de detecção de imagem em anel foi proposta pela primeira vez por Jacques Séguinot e Tom Ypsilantis, trabalhando no CERN em 1977. [1] Sua pesquisa e desenvolvimento de detectores de fóton único de alta precisão e óptica relacionada estabelecem as bases para o projeto [2] [3] desenvolvimento [4] e construção da primeira física de partículas em grande escala Detectores RICH, nas instalações OMEGA do CERN [5] [6] e LEP ([ [Grande Colisor Eletron-Pósitron]]) Experimento DELPHI. [7]
Princípios
Um detector Cherenkov de imagem em anel (RICH) permite a identificação de tipos de partículas subatômicas carregadas eletricamente através da detecção da radiação Cherenkov emitida (como fótons) pela partícula ao atravessar um meio com índice de refração 1. A identificação é obtida pela medição do ângulo de emissão, , da radiação Cherenkov, que é relacionado à velocidade da partícula carregada por
onde é a velocidade da luz. O conhecimento do momentum e da direção da partícula (normalmente disponível a partir de um momentum associado - espectrômetro) permite um previsto para cada hipótese do tipo de partículas; usando o conhecido do radiador RICH dá uma previsão correspondente de que pode ser comparada ao dos fótons Cherenkov detectados, indicando assim a identidade da partícula (geralmente como uma probabilidade por tipo de partícula). Uma distribuição típica (simulada) de vs momento da partícula fonte, para fótons Cherenkov únicos, produzidos em um radiador gasoso (n ~ 1,0005, resolução angular ~ 0,6mrad) Os diferentes tipos de partículas seguem contornos distintos de massa constante, manchados pela resolução angular efetiva do detector RICH; em momentos mais elevados, cada partícula emite um número de fótons Cherenkov que, juntos, fornecem uma medida mais precisa da média do que um único fóton, permitindo que a separação efetiva de partículas se estenda além de 100 GeV neste exemplo. Essa identificação de partículas é essencial para o entendimento detalhado da física intrínseca da estrutura e das interações das partículas elementares. A essência do método de imagem em anel é conceber um sistema óptico com detectores de fóton único, que pode isolar os fótons Cherenkov que cada partícula emite, para formar uma única "imagem de anel" a partir da qual um pode ser determinada. , não produzindo radiação neste caso (o que também seria um sinal muito claro do tipo de partícula = próton, uma vez que as flutuações no número de fótons seguem estatísticas de Poisson sobre a média esperada, de modo que a probabilidade de, por exemplo, um 22 GeV / c kaon produzindo zero fótons quando ~ 12 eram esperados é muito pequeno; e -12 ou 1 em 162755) O número de fótons detectados mostrado para cada tipo de partícula é, para fins de ilustração, o média para esse tipo em um RICH tendo ~ 25. A distribuição em azimute é aleatória entre 0 e 360 graus; a distribuição em é espalhada com resolução angular RMS ~ 0,6 miliradiano s. Observe que, como os pontos de emissão dos fótons podem estar em qualquer lugar na trajetória (normalmente em linha reta) da partícula através do radiador, os fótons emergentes preenchem um cone de luz no espaço. Em um detector RICH, os fótons dentro desse cone de luz passam por um sistema óptico e colidem com um detector de fótons sensível à posição. Com um sistema óptico de foco adequado, isso permite a reconstrução de um anel, semelhante ao acima, o raio do qual dá uma medida do ângulo de emissão Cherenkov . Esta capacidade de um sistema RICH de resolver com sucesso diferentes hipóteses para o tipo de partícula depende de dois fatores principais, que por sua vez dependem dos subfatores listados;
- A resolução angular efetiva por fóton,
- Dispersão cromática no radiador ( varia com a frequência do fóton)
- Aberrações no sistema óptico
- Resolução da posição do detector de fótons
- O número máximo de fótons detectados na imagem do anel,
- O comprimento do radiador através do qual a partícula viaja
- Transmissão de fótons através do material do radiador
- Transmissão de fótons através do sistema óptico
- Eficiência quântica dos detectores de fótons
é uma medida da precisão óptica intrínseca do detector RICH. é uma medida da resposta óptica do RICH; pode ser pensado como o caso limite do número de fótons realmente detectados produzidos por uma partícula cuja velocidade se aproxima da da luz, calculada a média de todas as trajetórias de partículas relevantes no detector RICH. O número médio de fótons Cherenkov detectados, para uma partícula mais lenta, de carga (normalmente ± 1), emitindo fótons no ângulo é então
e a precisão com a qual o ângulo médio de Cherenkov pode ser determinado com esses fótons é de aproximadamente
ao qual a precisão angular da direção medida da partícula emissora deve ser adicionada em quadratura, se não for desprezível em comparação com . Dado o momento conhecido da partícula emissora e o índice de refração do radiador, o ângulo de Cherenkov esperado para cada tipo de partícula pode ser previsto e sua diferença em relação ao ângulo de Cherenkov médio observado. Dividindo esta diferença por então dá uma medida do desvio 'número de sigma' da hipótese da observação, que pode ser usada no cálculo de uma probabilidade ou probabilidade para cada hipótese possível. [8] [9]
Na prática, para os estados finais multipartículas produzidos em um experimento típico colisor, a separação de kaons de outro estado final hadrons, principalmente píons, é o propósito mais importante do RICH. Nesse contexto, as duas funções RICH mais vitais, que maximizam o sinal e minimizam os fundos combinatórios, são sua capacidade de "identificar corretamente um kaon como um kaon" e sua capacidade "de não identificar erroneamente um pion como um kaon". Por exemplo, o experimento LHCb nos estudos do CERN LHC, entre outros B-meson decai, o processo particular B 0 ? p + p - . [8]
Tipos RICH
No design de foco de proximidade mais compacto, um volume de radiador fino emite um cone de luz Cherenkov que atravessa uma pequena distância, a lacuna de proximidade, e é detectado no plano do detector de fótons. A imagem é um anel de luz cujo raio é definido pelo ângulo de emissão Cherenkov e a lacuna de proximidade. A espessura do anel é determinada principalmente pela espessura do radiador. Um exemplo de detector RICH de lacuna de proximidade é o High Momentum Particle Identification (HMPID), um dos detectores de ALICE (A Large Ion Collider Experiment), que é um dos cinco experimentos no LHC (Large Hadron Collider) em CERN. Em um DIRC (Detecção de luz Cherenkov refletida internamente), outro projeto de um detector RICH, a luz que é capturada por reflexão interna total dentro do radiador sólido atinge os sensores de luz no perímetro do detector, o seção transversal retangular precisa do radiador preservando a informação angular do cone de luz Cherenkov. Um exemplo é o DIRC do experimento BaBar em SLAC. O experimento LHCb no Grande Colisor de Hádrons usa dois detectores RICH para diferenciar entre pion se kaon s. [10]
O primeiro (RICH-1) está localizado imediatamente após o localizador de vértices (VELO) em torno do ponto de interação e é otimizado para partículas de baixo momento e o segundo (RICH-2) está localizado após as camadas ímã e rastreador de partículas e otimizado para partículas de maior momento. [8]
O dispositivo Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02, recentemente montado na International Space Station, usa um detector RICH em combinação com outros dispositivos para analisar raios cósmicos.
Referências
Referências
- ↑ Seguinot, J.; Ypsilantis, T. (1977). «"Photo-ionization and Cherenkov ring imaging".» [Fotoionização e imagem em anel Cherenkov]. Nuclear Instruments and Methods (em inglês). 142 (3). pp. 377–391. Bibcode:1977NucIM.142..377S. doi:10.1016/0029-554X(77)90671-1
- ↑ Williams, S. H.; Leith, D. W. G. S.; Poppe, M.; Ypsilantis, T. (1980). «"An Evaluation of Detectors for a Cerenkov Ring-Imaging Chamber"» [Uma avaliação de detectores para uma câmara de imagem do anel Cerenkov] (PDF). IEEE Transactions on Nuclear Science (em inglês). 27 (1). pp. 91–95. Bibcode:1980ITNS...27...91W. doi:10.1109/TNS.1980.4330809
- ↑ Ekelöf, T.; Séguinot, J.; Tocqueville, J.; Ypsilantis, T. (1981). «"The Cerenkov Ring-Imaging Detector: Recent Progress and Future Development"» [O detector de imagens do anel Cerenkov: progresso recente e desenvolvimento futuro]. Physica Scripta (em inglês). 23 (4B). pp. 718–726. Bibcode:1981PhyS...23..718E. doi:10.1088/0031-8949/23/4B/023
- ↑ Glass, H. (1985). «"Identification of High Transverse Momentum Hadrons With a Ring Imaging Cherenkov Counter"» [Identificação de hádrons de alto momento transversal com um Detector Cherenkov de imagem em anel]. etal. IEEE Trans. Nucl. Sci. (em inglês). NS-32. pp. 692–696
- ↑ Em 1972, o espectrômetro OMEGA foi comissionado na Área Oeste e mais de um milhão de colisões foram registradas naquele primeiro ano. [S.l.: s.n.] 1972
- ↑ Apsimon, R. J. (1986). [https: //digital.library.unt.edu/ark: / 67531 / metadc1212528 / «O desempenho operacional recente do detector cerenkov de imagem em anel ômega CERN»] Verifique valor
|url=(ajuda). IEEE Transactions on Nuclear Science. 33 (1): 122–131. Bibcode:... 33..122A 1986ITNS ... 33..122A Verifique|bibcode=length (ajuda). doi:10.1109 / TNS.1986.4337063 Verifique|doi=(ajuda) Parâmetro desconhecido|display-owners=ignorado (ajuda) - ↑ Arnold, R. (1988). «Um detector Cherenkov de imagem em anel, o DELPHI Barrel RICH Prototype». Instrumentos e métodos nucleares na seção de pesquisa física. 270 (2–3): 255 –288. Bibcode:1988NIMPA.270..255A. doi:10.1016 / 0168-9002 (88) 90695-X Verifique
|doi=(ajuda) Parâmetro desconhecido|display-owners=ignorado (ajuda) - ↑ a b c «"Performance of the LHCb RICH detector at the LHC"» [Desempenho do detector LHCb RICH no LHC]. The European Physical Jornal C (em inglês). 73 (5). 2013. 2431 páginas. Bibcode:2013EPJC...73.2431A. PMC 4371097
. PMID 25814859. doi:10.1140/epjc/s10052-013-2431-9 |ultimo1=e|autor=redundantes (ajuda) - ↑ Wilkinson, G. (2008). «"In search of the rings: Approaches to Cherenkov ring finding and reconstruction in high energy physics".» [Em busca dos anéis: abordagens para encontrar e reconstruir anéis Cherenkov em física de alta energia]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A (em inglês). 595 1 ed. pp. 228–232. Bibcode:2008NIMPA.595..228W. doi:10.1016/j.nima.2008.07.066
- ↑ Alves, A. A., Jr. (2008). «"Performance of the LHCb RICH detector at the LHC"» [O LHCb Detector no LHC]. Journal of Instrumentation (em inglês). 3 (8). pp. S08005. Bibcode:2008JInst...3S8005L. doi:10.1088/1748-0221/3/08/S08005. hdl:10251/54510
