Ring-Imaging Cherenkov Detector

Irene Reinhold Kann 25, 2016 R 67 0
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Ring-Imaging Cherenkov Detector

Ursprünge

Der Ring-bildgebenden Detektionstechnik wurde zuerst von Jacques Séguinot und Tom Ypsilantis vorgeschlagen, am CERN im Jahr 1977. Die Forschung und Entwicklung von hochpräzisen Einzelphotonendetektoren und zugehörige Optik, die Grundlagen für die Konzeption und den Bau des ersten großen -Skala Teilchenphysik RICH Detektoren am CERN OMEGA Anlage und LEP DELPHI-Experiment.

Grundsätze

Ein Ring-imaging Cherenkov Detektor ist eine Vorrichtung, welche die Identifikation von elektrisch geladenen Elementarteilchen Partikeltypen durch die Detektion des Cherenkov-Strahlung durch die Partikel beim Durchgang durch ein Medium mit einem Brechungsindex & gt emittiert ermöglicht; 1. Die Bestimmung wird durch die Messung der Emissionswinkel erreicht ,, des Cherenkov-Strahlung, die zu der geladenen Teilchens Geschwindigkeit durch zusammenhängt

wo die Lichtgeschwindigkeit.

Wissen über Dynamik und Richtung der Partikel ermöglicht eine für jede Hypothese der Partikel Typ vorhergesagt; mit den bekannten des RICH-Heizkörper gibt eine entsprechende Voraussage, dass kann auf die der erfassten Cherenkov Photonen verglichen werden, damit die Identität des Teilchens angibt. Eine typische Verteilung der vs Impuls der Quelle Teilchen für Einzel Cherenkov Photonen, in einem gasförmigen Heizkörper hergestellt ist in der folgenden Abbildung gezeigt:

Die verschiedenen Partikeltypen folgen deutliche Konturen konstanter Masse, durch die effektive Winkelauflösung des RICH-Detektor verschmiert; bei höheren Momenten jedes Teilchen emittiert eine Reihe von Cherenkov Photonen, die zusammengenommen ergeben ein genaueres Maß für die mittlere als es ein einzelnes Photon, eine effektive Partikelabscheidung, über 100 GeV in diesem Beispiel erstrecken. Diese Partikelidentifizierung ist wesentlich für die detailliertes Verständnis der intrinsischen Physik der Struktur und Wechselwirkungen von Elementarteilchen. Das Wesen der ringbildgebendes Verfahren, ein optisches System mit Einzelphotonendetektoren, die die Cerenkov-Photonen, die jedes Teilchen emittiert isolieren kann, um eine einzelne "ring image", von dem eine genaue dann bestimmt werden kann entwickeln.

Ein Polardiagramm der Cherenkov-Winkel von Photonen mit einer 22 GeV / c Teilchens mit = 1,0005 zugeordnet in einem Radiator ist unten dargestellt; sowohl Pionen und Kaonen dargestellt; Protonen unterhalb Cherenkov Schwellen ,, Herstellung keine Strahlung in diesem Fall die Anzahl der für jede Teilchenart gezeigten detektierten Photonen ist, zu Illustrationszwecken ist der Durchschnitt für diese Art in einem reichen mit ~ 25. Die Verteilung im Azimut Zufalls zwischen 0 und 360 Grad; die Verteilung in mit RMS Winkelauflösung ~ 0.6 Millirad verbreiten.

Beachten Sie, dass, weil die Emissionspunkte der Photonen kann an beliebiger Stelle auf der Bahn des Teilchens durch den Kühler sein, die entstehenden Photonen füllen einen Lichtkegel im Raum.

In einem reichen Detektor die Photonen innerhalb dieser Lichtkegel durch ein optisches System übergeben und treffen auf einen positionsempfindlichen Photonendetektor. Mit einem geeignet Fokussieroptik dies ermöglicht die Rekonstruktion eines Rings, ähnlich wie oben, dessen Radius ein Maß des Cherenkov Emissionswinkel. Das Auflösungsvermögen dieser Methode wird durch Vergleich der Cherenkov-Winkel pro Photon finden Sie in der ersten Grundstück oben, mit dem Mittelwert Cherenkov Winkel pro Partikel durch ring Bildgebung, unten erhalten dargestellt; die stark verbesserte Trennung zwischen Partikelarten ist sehr klar:

Diese Fähigkeit eines reichen System auf unterschiedliche Hypothesen erfolgreich zu lösen für die Partikeltyp hängt von zwei Hauptfaktoren, die wiederum hängen von den aufgeführten Unterfaktoren;

  • Die effektive Winkelauflösung pro Photon,
    • Chromatischen Dispersion im Radiator
    • Aberrationen in dem optischen System
    • Positionsauflösung des Photonendetektors
  • Die maximale Anzahl von detektierten Photonen in dem Ringbild,
    • Die Länge des Heizkörpers durch die die Partikel Reisen
    • Photonenübertragung durch den Kühler Material
    • Photon Transmission durch das optische System
    • Quantenausbeute der Photonendetektoren

 ist ein Maß für die intrinsischen optischen Präzision der RICH Detektors. ist ein Maß der optischen Antwort des reichen; es gedacht als Grenzfall von der Anzahl der tatsächlich detektierten Photonen durch ein Teilchen die Geschwindigkeit ist hergestellt mit dem bei Licht, alle relevanten Teilchenbahnen im RICH Detektors gemittelt über sein. Die durchschnittliche Anzahl der Cherenkov Photonen detektiert, für eine langsamere Partikel, gebühren emittierenden Photonen bei Winkel ist dann

und die Präzision, mit der die mittlere Cherenkov Winkel kann mit dieser Photonen bestimmt werden, beträgt ca.

auf die die Winkelgenauigkeit der Messrichtung der emittierenden Teilchens müssen in Quadratur zugefügt werden, wenn es nicht vernachlässigbar gegenüber.

Angesichts der bekannten Dynamik des emittierenden Partikel und dem Brechungsindex der Heizkörper die erwarteten Cherenkov Winkel für jede Teilchenart vorhergesagt werden, und ihre Differenz von der beobachteten mittleren Cherenkov Winkels berechnet. Dividieren dieser Differenz durch, dann gibt ein Maß für die Anzahl von sigma "Abweichung der Hypothese aus der Beobachtung, die bei der Berechnung der Wahrscheinlichkeit oder Likelihood für jede mögliche Hypothese verwendet werden kann. Die folgende Abbildung zeigt die "Anzahl von Sigma 'Abweichung der Kaon Hypothese von einem echten Bild Pion Ring und der Pion-Hypothese von einem echten Bild Kaon Ring, in Abhängigkeit von der Dynamik, für eine reiche mit = 1,0005, = 25 = 0,64 mrad,

Ebenfalls gezeigt sind die durchschnittliche Zahl der detektierten Photonen von Pionen oder Kaonen. Man kann sehen, dass die Reichen in der Lage ist, um die beiden Partikeltypen zu trennen überschreitet 4-Sigma überall zwischen Schwelle und 80 GeV / c, schließlich fallen unter die 3-Sigma bei etwa 100 GeV. Es ist wichtig anzumerken, dass dieses Ergebnis für einen "idealen" Detektor mit homogener Akzeptanz und Effizienz, normale Fehlerverteilungen und Null Hintergrund. Kein solcher Detektor vorhanden ist, natürlich, und in einem realen Experiment viel mehr komplexe Verfahren tatsächlich verwendet werden, um diese Effekte zu berücksichtigen; positionsabhängige Akzeptanz und Effizienz; Nicht-Gaußsche Fehlerverteilungen; Nicht zu vernachlässigen und variable ereignisabhängige Hintergründe.

In der Praxis, für die Mehrkorn Endzustand in einem typischen Collider Experiment erzeugt wird, ist Trennung von Kaonen aus anderen Endzustand Hadronen, vor allem Pionen, ist das wichtigste Ziel der Reichen. In diesem Zusammenhang die beiden wichtigsten RICH-Funktionen, wobei das Signal zu maximieren und die kombinatorische Ausbildung, werden seine Fähigkeit, eine kaon korrekt identifizieren als kaon und seine Fähigkeit nicht, einen Pion als kaon misidentify. Die damit verbundenen Wahrscheinlichkeiten, die die üblichen Maßnahmen der Signalerkennung und Hintergrundunterdrückung in Echtdaten sind, sind unten aufgetragen, ihre Variation mit der Dynamik zu zeigen;

Beachten Sie, dass die ~ 30% π → k misidentification Rate bei 100 GeV ist, zum großen Teil aufgrund der Anwesenheit von 10% Hintergrund trifft in dem simulierten Detektor; die 3-Sigma-Trennung in der mittleren Cherenkov Winkel würde, von selbst, nur einen Anteil von etwa 6% Fehlidentifikation. Detailliertere Analysen der oben genannten Art, für die operative RICH-Detektoren, kann in der veröffentlichten Literatur gefunden werden.

Beispielsweise kann der LHCb-Experiment am CERN LHC Studien unter anderem B-Meson zerfällt, die besondere Verfahren B → ππ. Die folgende Abbildung zeigt, auf der linken Seite, der ππ Massenverteilung ohne RICH Identifikation, wobei alle Partikel werden als π ist; die B → ππ Signal von Interesse ist das türkisfarbene Punktlinie und ist vollständig von Hintergrund durch B überschwemmt und Λ zerfällt mit Kaonen und Protonen und kombinatorischen Hintergrund von Teilchen nicht mit dem B Verfall assoziiert.

Auf der rechten Seite sind die gleichen Daten mit RICH Identifizierung verwendet werden, um nur Pionen und Kaonen wählen und Protonen zurückzuweisen; B → ππ Signal bewahrt aber alle kaon- und Protonenbezogene Hinter sind stark reduziert, so dass die gesamte B-Signal / Hintergrund um einen Faktor ~ 6 verbessert, so dass sehr viel genauere Messung der Zerfallsprozess.

RICH Typen

Sowohl Fokussierung und Näherungsfokussierung Detektoren werden verwendet. In einer Fokussierrichtung RICH Detektor werden die Photonen durch einen sphärischen Spiegel mit einer Brennweite gesammelt und fokussiert auf den Photonendetektor in der Brennebene angeordnet. Das Ergebnis ist ein Kreis mit einem Radius, unabhängig von der Emissionspunkt entlang des Teilchens Track. Diese Regelung ist für die niedrigen Brechungsindex Heizkörper mit ihren größeren Strahlerlänge benötigt, um genügend Photonen zu erstellen.

In der kompakteren Nähe Fokus-Design eine dünne Kühlervolumen emittiert einen Kegel von Cherenkov-Licht, eine kleine Strecke, die Nähe Spalt durchquert, und ist an der Photonendetektorebene erkannt. Das Bild ist ein Lichtring, dessen Radius durch den Cherenkov Abstrahlwinkel und die Nähe Spalt definiert. Die Ringdicke wird vor allem durch die Dicke des Kühlers bestimmt. Ein Beispiel für einen Näherungslücke RICH-Detektor ist die hohe Momentum Particle Identification, einer der Detektoren ALICE, die einer der fünf Experimente am LHC am CERN ist.

In einer DIRC, eine andere Gestaltung eines RICH Detektor Licht, das durch Totalreflexion eingefangen ist im Inneren der Feststoff-Heizkörper erreicht die Lichtsensoren am Detektor Umfang, die genaue rechteckigen Querschnitt des Kühlers Erhaltung der Winkelinformation der Cherenkov-Lichtkegel. Ein Beispiel ist die DIRC des Babar-Experiment am SLAC.

Das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider benutzt zwei RICH-Detektoren für die Unterscheidung zwischen Pionen und Kaonen. Die erste wird unmittelbar nach dem Vertex Locator rund um die Wechselwirkungspunkt und ist für Low-Impuls Partikel optimiert und die zweite ist nach den Magneten und partikel tracker Schichten angeordnet und für höhere Dynamik Partikel optimiert.

Die Alpha-Magnet-Spektrometer AMS-Gerät 02, die vor kurzem auf der Internationalen Raumstation ISS montiert verwendet eine RICH-Detektor in Kombination mit anderen Geräten, um die kosmische Strahlung zu analysieren.

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