El detector de Cherenkov de imagen en anillo , o RICH , es un dispositivo que permite identificar el tipo de partícula subatómica cargada eléctricamente y con un momento conocido que atraviesa un medio refractario transparente , midiendo la presencia y las características de la radiación Cherenkov emitida durante ese recorrido. Los detectores RICH se desarrollaron por primera vez en la década de 1980 y se utilizan en experimentos de partículas elementales de alta energía , nucleares y astrofísica .
Este artículo describe los orígenes y principios del detector RICH, con breves ejemplos de sus diferentes formas en experimentos de física moderna.
La técnica de detección por imágenes de anillo fue propuesta por primera vez por Jacques Séguinot y Tom Ypsilantis , trabajando en el CERN en 1977. [1] Su investigación y desarrollo de detectores monofotónicos de alta precisión y ópticas relacionadas, sentaron las bases para el diseño [2] [3] desarrollo [4] y construcción de los primeros detectores RICH de física de partículas a gran escala , en las instalaciones OMEGA del CERN [5] [6] [7] y el experimento DELPHI LEP ( Gran Colisionador de Electrones y Positrones ) . [8]
Un detector Cherenkov de imagen en anillo (RICH) permite la identificación de tipos de partículas subatómicas cargadas eléctricamente a través de la detección de la radiación Cherenkov emitida (como fotones ) por la partícula al atravesar un medio con índice de refracción > 1. La identificación se logra mediante la medición del ángulo de emisión, , de la radiación Cherenkov , que está relacionada con la velocidad de la partícula cargada por
¿Dónde está la velocidad de la luz?
El conocimiento del momento y la dirección de la partícula (normalmente disponible a partir de un espectrómetro de momento asociado ) permite predecir para cada hipótesis el tipo de partícula; el uso de los datos conocidos del radiador RICH proporciona una predicción correspondiente de que se puede comparar con los de los fotones Cherenkov detectados, lo que indica la identidad de la partícula (normalmente como una probabilidad por tipo de partícula). En la siguiente figura 1 se muestra una distribución típica (simulada) de vs el momento de la partícula fuente, para fotones Cherenkov individuales, producidos en un radiador gaseoso (n~1,0005, resolución angular~0,6 mrad):
Los diferentes tipos de partículas siguen contornos distintos de masa constante, difuminados por la resolución angular efectiva del detector RICH; en momentos más altos, cada partícula emite una cantidad de fotones Cherenkov que, tomados en conjunto, dan una medida más precisa del promedio que un solo fotón (ver la Fig. 3 a continuación), lo que permite que la separación efectiva de partículas se extienda más allá de los 100 GeV en este ejemplo. Esta identificación de partículas es esencial para la comprensión detallada de la física intrínseca de la estructura y las interacciones de las partículas elementales. La esencia del método de formación de imágenes en anillo es diseñar un sistema óptico con detectores de fotón único, que pueda aislar los fotones Cherenkov que emite cada partícula, para formar una única "imagen en anillo" a partir de la cual se pueda determinar una precisión.
En la figura 2 se muestra un diagrama polar de los ángulos de Cherenkov de los fotones asociados a una partícula de 22 GeV/c en un radiador con =1,0005; se ilustran tanto el pión como el kaón ; los protones están por debajo del umbral de Cherenkov, , no produciendo radiación en este caso (lo que también sería una señal muy clara de tipo de partícula = protón, ya que las fluctuaciones en el número de fotones siguen las estadísticas de Poisson sobre la media esperada, de modo que la probabilidad de que, por ejemplo, un kaón de 22 GeV/c produzca cero fotones cuando se esperaban ~12 es muy pequeña; e −12 o 1 en 162755). El número de fotones detectados que se muestra para cada tipo de partícula es, a efectos ilustrativos, el promedio para ese tipo en un RICH que tiene ~ 25 (véase más abajo). La distribución en acimut es aleatoria entre 0 y 360 grados; la distribución en se extiende con una resolución angular RMS de ~ 0,6 milirradianes .
Téngase en cuenta que, dado que los puntos de emisión de los fotones pueden estar en cualquier lugar de la trayectoria (normalmente recta) de la partícula a través del radiador, los fotones emergentes ocupan un cono de luz en el espacio.
En un detector RICH, los fotones dentro de este cono de luz pasan a través de un sistema óptico e inciden en un detector de fotones sensible a la posición. Con un sistema óptico de enfoque adecuado, esto permite la reconstrucción de un anillo, similar al que se muestra en la figura 2, cuyo radio proporciona una medida del ángulo de emisión de Cherenkov .
El poder de resolución de este método se ilustra comparando el ángulo de Cherenkov por fotón , véase el primer gráfico, Fig.1 arriba, con el ángulo de Cherenkov medio por partícula (promediado sobre todos los fotones emitidos por esa partícula) obtenido por imagen de anillo, que se muestra en la Fig.3; la separación enormemente mejorada entre los tipos de partículas es muy clara.
Esta capacidad de un sistema RICH para resolver con éxito diferentes hipótesis para el tipo de partícula depende de dos factores principales, que a su vez dependen de los subfactores enumerados:
es una medida de la precisión óptica intrínseca del detector RICH. es una medida de la respuesta óptica del RICH; puede considerarse como el caso límite del número de fotones realmente detectados producidos por una partícula cuya velocidad se aproxima a la de la luz, promediada sobre todas las trayectorias de partículas relevantes en el detector RICH. El número promedio de fotones Cherenkov detectados, para una partícula más lenta, de carga (normalmente ±1), que emite fotones en ángulo es entonces
y la precisión con la que se puede determinar el ángulo Cherenkov medio con estos fotones es aproximadamente
a lo que debe añadirse en cuadratura la precisión angular de la dirección medida de la partícula emisora, si no es despreciable en comparación con .
Dado el momento conocido de la partícula emisora y el índice de refracción del radiador, se puede predecir el ángulo de Cherenkov esperado para cada tipo de partícula y calcular su diferencia con el ángulo de Cherenkov medio observado. Dividiendo esta diferencia por entonces se obtiene una medida de la desviación en "número de sigma" de la hipótesis con respecto a la observación, que se puede utilizar para calcular una probabilidad o verosimilitud para cada hipótesis posible. La siguiente Fig.4 muestra la desviación en "número de sigma" de la hipótesis del kaón con respecto a una imagen de anillo de piones real ( π no k ) y de la hipótesis del pión con respecto a una imagen de anillo de kaones real ( k no π ), como función del momento, para un RICH con = 1,0005, = 25, = 0,64 milirradianes ;
También se muestra el número promedio de fotones detectados de piones ( Ngπ ) o de kaones ( Ngk ). Se puede ver que la capacidad del RICH para separar los dos tipos de partículas supera los 4 sigma en todas partes entre el umbral y los 80 GeV/c, cayendo finalmente por debajo de los 3 sigma en aproximadamente 100 GeV.
Es importante señalar que este resultado corresponde a un detector "ideal" , con aceptación y eficiencia homogéneas, distribuciones de error normales y fondo cero. Por supuesto, no existe tal detector y, en un experimento real, se utilizan procedimientos mucho más sofisticados para tener en cuenta esos efectos: aceptación y eficiencia dependientes de la posición; distribuciones de error no gaussianas; fondos dependientes de eventos no despreciables y variables. [9] [10]
En la práctica, para los estados finales de múltiples partículas producidos en un experimento típico de colisionador , la separación de kaones de otros hadrones de estado final , principalmente piones, es el propósito más importante del RICH. En ese contexto, las dos funciones RICH más vitales, que maximizan la señal y minimizan los fondos combinatorios, son su capacidad para identificar correctamente un kaón como un kaón y su capacidad para no identificar erróneamente un pión como un kaón . Las probabilidades relacionadas, que son las medidas habituales de detección de señal y rechazo de fondo en datos reales, se representan gráficamente en la Fig. 5 a continuación para mostrar su variación con el momento (simulación con un fondo aleatorio del 10%);
Obsérvese que la tasa de identificación errónea de ~30% π → k a 100 GeV se debe, en su mayor parte, a la presencia de un 10% de impactos de fondo (fotones falsos) en el detector simulado; la separación de 3 sigma en el ángulo Cherenkov medio (que se muestra en la Fig. 4 anterior) solo explicaría, por sí sola, alrededor del 6% de la identificación errónea. Se pueden encontrar análisis más detallados del tipo anterior, para detectores RICH operativos, en la literatura publicada.
Por ejemplo, el experimento LHCb del CERN estudia, entre otras desintegraciones de mesones B , el proceso particular B 0 → π + π − . La siguiente figura 6 muestra, a la izquierda, la distribución de masa π + π − sin identificación RICH, donde se supone que todas las partículas son π ; la señal de interés B 0 → π + π − es la línea de puntos turquesa y está completamente inundada por el fondo debido a las desintegraciones B y Λ que involucran kaones y protones, y el fondo combinatorio de partículas no asociadas con la desintegración B 0 . [9]
A la derecha se encuentran los mismos datos con identificación RICH utilizada para seleccionar solo piones y rechazar kaones y protones; la señal B 0 → π + π − se conserva pero todos los fondos relacionados con kaones y protones se reducen en gran medida, de modo que la señal/fondo general de B 0 ha mejorado en un factor ~ 6, lo que permite una medición mucho más precisa del proceso de desintegración.
Se utilizan detectores de enfoque y de enfoque por proximidad (Fig. 7). En un detector RICH de enfoque, los fotones son recogidos por un espejo esférico con longitud focal y enfocados hacia el detector de fotones colocado en el plano focal. El resultado es un círculo con un radio , independiente del punto de emisión a lo largo de la trayectoria de la partícula ( ). Este esquema es adecuado para radiadores de bajo índice de refracción (es decir, gases) con su longitud de radiador más grande necesaria para crear suficientes fotones.
En el diseño más compacto de enfoque por proximidad, un volumen delgado de radiador emite un cono de luz Cherenkov que atraviesa una pequeña distancia, el espacio de proximidad, y se detecta en el plano del detector de fotones. La imagen es un anillo de luz cuyo radio está definido por el ángulo de emisión de Cherenkov y el espacio de proximidad. El grosor del anillo está determinado principalmente por el grosor del radiador. Un ejemplo de un detector RICH de espacio de proximidad es el High Momentum Particle Identification (HMPID), uno de los detectores de ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), que es uno de los cinco experimentos del LHC ( Large Hadron Collider ) en el CERN .
En un DIRC (Detección de luz Cherenkov reflejada internamente, Fig.8), otro diseño de un detector RICH, la luz que se captura por reflexión interna total dentro del radiador sólido llega a los sensores de luz en el perímetro del detector, la sección transversal rectangular precisa del radiador preserva la información angular del cono de luz Cherenkov. Un ejemplo es el DIRC del experimento BaBar en SLAC .
El experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones, Fig.9, utiliza dos detectores RICH para diferenciar entre piones y kaones . [11] El primero (RICH-1) está ubicado inmediatamente después del Localizador de Vértices (VELO) alrededor del punto de interacción y está optimizado para partículas de bajo momento y el segundo (RICH-2) está ubicado después de las capas del imán y del rastreador de partículas y está optimizado para partículas de mayor momento. [9]
El dispositivo Espectrómetro Magnético Alfa AMS-02, Fig.10, recientemente montado en la Estación Espacial Internacional, utiliza un detector RICH en combinación con otros dispositivos para analizar los rayos cósmicos .
