En física , una cámara de proyección de tiempo ( TPC ) 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 TPC original fue inventado por David R. Nygren , un físico estadounidense, en el Laboratorio Lawrence Berkeley a fines de la década de 1970. [1] Su primera aplicación importante fue en el detector PEP-4, que estudió colisiones electrón-positrón de 29 GeV en el anillo de almacenamiento PEP en SLAC .
Una cámara de proyección temporal consiste en 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 mitades por medio de un disco de electrodo de alto voltaje central , que establece un campo eléctrico entre el centro y las placas terminales. Además, a menudo se aplica un campo magnético a lo largo de la longitud 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 al final. Esto se hace utilizando la técnica habitual de una cámara de deriva . El MWPC en el extremo está dispuesto con los cables 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 tiras a lo largo de la dirección radial.
En los últimos años, se han utilizado más ampliamente otros medios de amplificación y detección de electrones sensibles a la posición, especialmente en conjunción con la mayor aplicación de cámaras de proyección de tiempo en física nuclear . Estas suelen combinar una placa de ánodo segmentada con solo una rejilla Frisch [2] o un elemento de multiplicación de electrones activo como un multiplicador de electrones de gas [3] . Estas TPC más nuevas también se alejan de la geometría tradicional de un cilindro con un campo axial a favor de una geometría plana [2] o un cilindro con un campo radial [3] .
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 .
En 1974, William J. Willis y Veljko Radeka demostraron [4] que era posible realizar calorimetría de absorción total en detectores de argón líquido sin la amplificación que normalmente se produce en un detector de ionización gaseosa . Esta tecnología fundamental permitió la posibilidad de una cámara de proyección de tiempo basada en el diseño original de Nygren, pero utilizando argón líquido como medio sensible en lugar de gas.
En 1976, Herbert H. Chen , con colaboradores de la Universidad de California en Irvine y el Instituto de Tecnología de California , propuso uno de los primeros usos del argón líquido en una cámara de proyección de tiempo (LArTPC). [5] [6] Los objetivos iniciales de Chen con dicho detector eran estudiar la dispersión de neutrinos y electrones, pero los objetivos evolucionaron para medir los neutrinos solares o cósmicos o la desintegración de protones. [5] [7] [8]
En 1977, Carlo Rubbia , de forma independiente y casi simultánea, propuso construir un LArTPC en el CERN para experimentos de física de partículas de eventos raros. [9] [7]
El argón líquido es ventajoso como medio sensible por varias razones. [9] [10] El hecho de que el argón sea un elemento noble y por lo tanto tenga una electronegatividad que se desvanece significa que los electrones producidos por la radiación ionizante no serán absorbidos a medida que se desplacen 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. [10] 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. [9] El argón líquido es alrededor de mil veces más denso que el gas utilizado en el diseño de TPC de Nygren, lo que aumenta la probabilidad de que una partícula interactúe en un detector en un factor de alrededor de mil. Esta característica es particularmente útil en la física de neutrinos , donde las secciones transversales de interacción neutrino- nucleón son pequeñas.
El cuerpo de un LArTPC típico está formado por tres partes. En un lado del detector hay un plano catódico de alto voltaje , que se utiliza para establecer un campo eléctrico de deriva a través del TPC. Aunque el potencial eléctrico exacto en el que se establece depende de la geometría del detector, este cátodo de alto voltaje normalmente produce un campo de deriva de 500 V/cm a través del detector. [10]
En el lado opuesto al plano del cátodo hay un conjunto de planos de alambres del ánodo fijados a 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 en el que están orientados los alambres con respecto a la vertical varía de un plano a otro. Juntos, estos planos leen señales de los electrones de deriva. Para un detector con N planos de alambres del ánodo, los N − 1 planos internos se denominan planos de inducción. Estos se establecen a potenciales más bajos (más negativos) que el plano externo, lo que permite que los electrones de deriva pasen a través de ellos, induciendo señales que se utilizan para la reconstrucción de eventos. El plano externo se llama plano de recolección porque los electrones de deriva se recolectan en estos alambres, lo que produce señales adicionales. Tener múltiples planos con diferentes orientaciones de alambre permite la reconstrucción de eventos bidimensional, mientras que la tercera dimensión se encuentra a partir de los tiempos de deriva de electrones.
La tercera parte es una jaula de campo entre el cátodo y el ánodo. Esta jaula de campo 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 a menudo acompaña al LArTPC básico como un medio para extraer más información de un evento mediante luz de centelleo. [10] También puede desempeñar un papel importante en el disparo, porque recoge 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 desplazarse hasta los planos del cable, por lo que a menudo es suficiente para 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 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 las supernovas y la desintegración de protones, donde las partículas que experimentan desintegración o interacción no se producen en un acelerador hecho por el hombre y, por lo tanto, no se conoce el momento de un haz de partículas. [10] Los tubos fotomultiplicadores , las guías de luz y los fotomultiplicadores de silicio son ejemplos de instrumentos utilizados para recolectar esta luz. Estos suelen ubicarse justo fuera del volumen de deriva.
En un LArTPC típico, cada cable en cada plano de ánodo es parte de un circuito RC , con el cable en sí ubicado entre la resistencia y el capacitor . El otro extremo de la resistencia está conectado a un voltaje de polarización, y el otro extremo del capacitor está conectado a la electrónica del front-end. La electrónica del front-end amplifica y digitaliza la corriente en el circuito. Esta corriente amplificada y digitalizada en función del tiempo es la "señal" que se pasa a la reconstrucción de eventos.
Para un cable de plano anódico dado, la señal producida tendrá una forma específica que depende de si el cable está ubicado en un plano de inducción o en un plano de recolección. A medida que un electrón a la deriva se mueve hacia un cable en un plano de inducción, induce una corriente en el cable, produciendo un "golpe" en la corriente de salida. A medida que el electrón se aleja de un cable, induce una corriente en la dirección opuesta, produciendo un "golpe" de salida de signo opuesto al primero. El resultado es una señal bipolar. [11] En contraste, las señales para un cable de plano de recolección son unipolares, ya que los electrones no pasan por el cable sino que son "recogidos" por él. Para ambas geometrías, una amplitud de señal mayor implica que más electrones a la deriva pasaron por el cable (para planos de inducción) o fueron recogidos por él (para el plano de recolección).
La lectura de la señal de todos los cables en un plano anódico determinado se puede organizar en una imagen 2D de una interacción de partículas. Dicha imagen es una proyección de la interacción de partículas 3D sobre un plano 2D cuyo vector normal es paralelo a los cables en el plano anódico especificado. Las proyecciones 2D correspondientes a cada uno de los planos anódicos se combinan para reconstruir completamente la interacción 3D.
La técnica en sí se desarrolló por primera vez para la detección de radiación utilizando argón a principios de la década de 1970. [12] El programa ZEPLIN fue pionero en el uso de tecnología de dos fases para búsquedas WIMP . Las series de detectores XENON y LUX representan la implementación de vanguardia de este instrumento en física.
La cámara de proyección temporal de materia oscura es un experimento para la detección directa de partículas masivas de interacción débil (WIMP), uno de los candidatos más favorecidos para la materia oscura . El experimento utiliza una cámara de proyección temporal de baja presión para extraer la dirección original de los posibles eventos de materia oscura. La colaboración incluye físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la Universidad de Boston (BU), la Universidad Brandeis y la Universidad Royal Holloway de Londres . Se han construido y probado varios prototipos de detectores en laboratorios del MIT y la BU. La colaboración tomó sus primeros datos en un laboratorio subterráneo en el sitio de la Planta Piloto de Aislamiento de Residuos (WIPP) cerca de Carlsbad, Nuevo México, en el otoño de 2010. [ cita requerida ]
La Cámara de Proyección de Tiempo de Materia Oscura publicó los primeros resultados de una ejecución en superficie en 2010, estableciendo un límite de sección transversal dependiente del espín. [13]
David R. Nygren, 1985: Física: Por el desarrollo de técnicas experimentales en
física de partículas
y, especialmente, por la invención de la cámara de proyección del tiempo.
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