En física , una cámara de proyección del tiempo ( TPC ) es un tipo de detector de partículas que utiliza una combinación de campos eléctricos y campos 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 finales de los años 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 de PEP en SLAC .
Una cámara de proyección del tiempo consta de un volumen de detección lleno de gas en un campo eléctrico con un sistema de recogida de electrones sensible a la posición. El diseño original (y el más utilizado) es una cámara cilíndrica con cámaras proporcionales de cables múltiples (MWPC) como placas terminales. A lo largo de su longitud, la cámara se divide en mitades mediante un disco de electrodo central de alto voltaje , que crea un campo eléctrico entre las placas central y final. Además, a menudo se aplica un campo magnético a lo largo del cilindro, paralelo al campo eléctrico, para minimizar la difusión de los electrones procedentes 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 el MWPC al final. Esto se realiza mediante la técnica habitual de una cámara de deriva . El MWPC al final 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 franjas 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 junto con la creciente aplicación de cámaras de proyección de tiempo en física nuclear . Por lo general, combinan una placa de ánodo segmentada con solo una rejilla de Frisch [2] o con un elemento activo de multiplicación de electrones, como un multiplicador de electrones de gas . [3] Estos TPC más nuevos también se apartan de la geometría tradicional de un cilindro con un campo axial en 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 del CERN NA49 y NA35 .
En 1974, William J. Willis y Veljko Radeka demostraron [4] que la calorimetría de absorción total era posible en detectores de argón líquido sin la amplificación que normalmente ocurre en un detector de ionización gaseosa . Esta tecnología crítica permitió la posibilidad de una cámara de proyección del 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, Irvine y el Instituto de Tecnología de California , propuso uno de los primeros usos del argón líquido en una cámara de proyección del 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 neutrinos solares o cósmicos o la desintegración de protones. [5] [7] [8]
En 1977, Carlo Rubbia , de forma independiente y casi simultáneamente, 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 desaparece significa que los electrones producidos por la radiación ionizante no serán absorbidos a medida que se dirigen hacia la lectura del detector. El argón también centellea cuando pasa una partícula cargada de energía, 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 utilizar 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 del 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 al 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 alambre 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 unos pocos milímetros, y el ángulo en el que se orientan los alambres con respecto a la vertical varía de un plano a otro. Juntos, estos aviones leen señales de los electrones a la deriva. Para un detector con N planos de alambre de ánodo, los N − 1 planos internos se denominan planos de inducción. Estos se establecen en potenciales más bajos (más negativos) que el plano exterior, 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 exterior se llama plano de recolección porque los electrones de deriva se recolectan en estos cables, produciendo señales adicionales. Tener múltiples planos con diferentes orientaciones de los cables permite la reconstrucción de eventos bidimensionales, mientras que la tercera dimensión se encuentra a partir de los tiempos de deriva de los 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 deriva de los electrones 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 suele acompañar al LArTPC básico como medio para extraer más información de un evento mediante luz centelleante. [10] También puede desempeñar un papel importante en la activación, porque recoge la luz de centelleo sólo 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 hacia los planos de los cables, por lo que a menudo es suficiente demarcar el tiempo de recolección de fotones de centelleo como tiempo de activación ( t 0 ) para una evento. Con este tiempo de activación, se pueden encontrar 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 activación, son necesarios para estudiar fenómenos como las supernovas y la desintegración de protones, donde las partículas que sufren desintegración o interacción no se producen en un acelerador construido por el hombre y el momento de la Por tanto, no se conoce 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. Por lo general, se colocan 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 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 condensador está conectado a la electrónica frontal. La electrónica frontal 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 del evento.
Para un alambre del plano anódico dado, la señal producida tendrá una forma específica que depende de si el alambre está ubicado en un plano de inducción o en un plano de recolección. Cuando 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] Por el contrario, las señales para un cable 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 de deriva pasaron por el cable (para los 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 de ánodo determinado se puede organizar en una imagen 2D de la interacción de una partícula. Una imagen de este tipo es una proyección de la interacción de partículas 3D sobre un plano 2D cuyo vector normal es paralelo a los cables en el plano del ánodo especificado. Las proyecciones 2D correspondientes a cada uno de los planos del ánodo 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 más moderna de este instrumento en física.
La Cámara de Proyección del Tiempo de Materia Oscura es un experimento para la detección directa de partículas masivas que interactúan débilmente (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 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 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 necesaria ]
Dark Matter Time Projection Chamber publicó los primeros resultados de un análisis de superficie en 2010, estableciendo un límite de sección transversal dependiente del giro. [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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