Кіріспе
Сақиналық бейнелеу Черенков немесе RICH детекторы – белгілі импульсы бар электр зарядталған субатомдық бөлшектің түрін анықтауға арналған құрылғы. Бұл құрылғы мөлдір ортадан өтетін бөлшектерден шығатын Черенков сәулеленуінің болуын және оның сипаттамаларын өлшеу арқылы жұмыс істейді. RICH детекторлары алғаш рет 1980-ші жылдары жасалды және жоғары энергиялы элементар бөлшектер, ядролық және астрофизикалық эксперименттерде қолданылады. Осы мақалада RICH детекторының пайда болу тарихы мен принциптері, сондай-ақ қазіргі заманғы физикалық эксперименттердегі оның әртүрлі түрлерінің мысалдары қысқаша қарастырылады.
Шығу тегі
Сақиналы бейнелеуді анықтау әдісін алғаш рет 1977 жылы CERN-де жұмыс істейтін Жак Сегуино және Том Ипсилантис ұсынды. Олардың жоғары дәлдікті бір фотондық детекторларды және оған қатысты оптикалық құрылғыларды зерттеу және әзірлеу жұмыстары, CERN-нің OMEGA нысанында және LEP (Large Electron–Positron Collider) DELPHI экспериментіндегі алғашқы ірі масштабты бөлшектер физикасы RICH детекторларын жобалау, әзірлеу және құрастыруға негіз салды.
and LEP (Large Electron–Positron Collider) DELPHI experiment.
Негізгі қағидалар
Сақиналық бейнелеуге арналған Черенков (RICH) детекторы электрлік зарядталған субатомдық бөлшектердің түрлерін, бөлшек ортадан өткенде (фотон ретінде) Черенков сәулесін шығару арқылы анықтауға мүмкіндік береді, ортаның сындыру көрсеткіші > 1. Анықтама, Черенков сәулесінің шығарылу бұрышын өлшеу арқылы жүзеге асырылады, ол зарядталған бөлшектің жылдамдығымен байланысты:
where is the speed of light. Knowledge of the particle's momentum and direction (normally available from an associated momentum spectrometer) allows a predicted for each hypothesis of the particles type; using the known of the RICH radiator gives a corresponding prediction of that can be compared to the of the detected Cherenkov photons, thus indicating the particle's identity (usually as a probability per particle type). A typical (simulated) distribution of vs momentum of the source particle, for single Cherenkov photons, produced in a gaseous radiator (n~1.0005, angular resolution~0.6mrad) is shown in the following Fig.1:
The different particle types follow distinct contours of constant mass, smeared by the effective angular resolution of the RICH detector; at higher momenta each particle emits a number of Cherenkov photons which, taken together, give a more precise measure of the average than does a single photon (see Fig.3 below), allowing effective particle separation to extend beyond 100 GeV in this example. This particle identification is essential for the detailed understanding of the intrinsic physics of the structure and interactions of elementary particles. The essence of the ring imaging method is to devise an optical system with single photon detectors, that can isolate the Cherenkov photons that each particle emits, to form a single "ring image" from which an accurate can be determined. A polar plot of the Cherenkov angles of photons associated with a 22 GeV/c particle in a radiator with =1.0005 is shown in Fig.2; both pion and kaon are illustrated; protons are below Cherenkov threshold,
, producing no radiation in this case (which would also be a very clear signal of particle type = proton, since fluctuations in the number of photons follow Poisson statistics about the expected mean, so that the probability of e. g. a 22 GeV/c kaon producing zero photons when ~12 were expected is very small; e−12 or 1 in 162755). The number of detected photons shown for each particle type is, for illustration purposes, the average for that type in a RICH having ~ 25 (see below). The distribution in azimuth is random between 0 and 360 degrees; the distribution in is spread with RMS angular resolution ~ 0.6 milliradians. Note that, because the points of emission of the photons can be at any place on the (normally straight line) trajectory of the particle through the radiator, the emerging photons occupy a light cone in space. In a RICH detector the photons within this light cone pass through an optical system and impinge upon a position sensitive photon detector. With a suitably focusing optical system this allows reconstruction of a ring, similar to that above in Fig.2, the radius of which gives a measure of the Cherenkov emission angle
The resolving power of this method is illustrated by comparing the Cherenkov angle per photon, see the first plot, Fig.1 above, with the mean Cherenkov angle per particle (averaged over all photons emitted by that particle) obtained by ring imaging, shown in Fig.3; the greatly enhanced separation between particle types is very clear.
мұнда – жарық жылдамдығы. Бөлшектің импульсі мен бағытын білу (әдетте, байланысты импульс спектрометрі арқылы) бөлшектің түрінің әрбір гипотезасы үшін болжам жасауға мүмкіндік береді; RICH радиаторының белгілі мәнін пайдалану, анықталған Черенков фотондарымен салыстыруға болатын сәйкес болжамды береді, осылайша бөлшектің сәйкестігін көрсетеді (әдетте, бөлшектің түрі бойынша ықтималдық ретінде). Газды радиаторда (n ~ 1.0005, бұрыштық ажыратымдылығы ~ 0.6 мрад) туындаған бір Черенков фотоны үшін бастапқы бөлшектің импульсіне қатысты типтік (модельделген) таралым келесі суретте көрсетілген: әр түрлі бөлшектердің түрлері тұрақты массаның анық контурларын ұстанады, олар RICH детекторының тиімді бұрыштық ажыратымдылығымен бұрмаланған; жоғары импульсте әр бөлшек бірнеше Черенков фотонын шығарады, олардың жиынтығы орташа мәнге қарағанда бір фотоннан гөрі дәл өлшем береді (3-суретті қараңыз), бұл бөлшектерді тиімді түрде бөлуге 100 ГэВ-тан астам диапазонда мүмкіндік береді. Бұл бөлшектерді анықтау, элементар бөлшектердің құрылымы мен өзара әрекеттесуінің ішкі физикасын толық түсіну үшін маңызды. Сақиналық бейнелеу әдісінің мәні – әр бөлшектің шығаратын Черенков фотондарын оқшаулауға және дәл бір фотонды анықтауға мүмкіндік беретін оптикалық жүйе жасау, содан кейін бір "сақиналық бейне" құру, одан дәл бұрышты анықтауға болады. 22 ГэВ/с бөлшегіне қатысты фотондардың Черенков бұрыштарының полярлық диаграммасы =1.0005 радиаторда 2-суретте көрсетілген; пион және каондар суреттелген; протондар Черенков шегінен төмен, , бұл жағдайда сәулелену тудырмайды (бұл сонымен қатар бөлшектің түрінің нақты сигналы – протон, өйткені фотондар санының ауытқуы күтілетін орташа мәнге қатысты Пуассон статистикасына сәйкес келеді, сондықтан, мысалы, 22 ГэВ/с каонның нөл фотонды өндіру ықтималдығы өте аз; e-12 немесе 1/162755). Әр бөлшек түрі үшін көрсетілген анықталған фотондардың саны, иллюстрация мақсатында, осы типтің ~ 25 бар RICH-дегі орташа мәні (төменде қараңыз). Азимут бойынша таралым 0 және 360 градус аралығында кездейсоқ болады; таралымның RMS бұрыштық ажыратымдылығы ~ 0.6 миллирадианға тең. Ескеріңіз, фотондардың сәуле шығару нүктелері радиатор арқылы бөлшектің траекториясының кез келген жерінде (әдетте түзу сызықта) болуы мүмкін, сондықтан пайда болатын фотондар кеңістіктегі жарық конусын құрайды. RICH детекторда осы жарық конусы ішіндегі фотондар оптикалық жүйе арқылы өтеді және орналасу сезімтал фотон детекторларына түседі. Тиісті фокустаушы оптикалық жүйемен бұл 2-суреттегідей сақинаны қайта құруға мүмкіндік береді, оның радиусы Черенков сәулесінің шығарылу бұрышын көрсетеді.
where is the speed of light. Knowledge of the particle's momentum and direction (normally available from an associated momentum spectrometer) allows a predicted for each hypothesis of the particles type; using the known of the RICH radiator gives a corresponding prediction of that can be compared to the of the detected Cherenkov photons, thus indicating the particle's identity (usually as a probability per particle type). A typical (simulated) distribution of vs momentum of the source particle, for single Cherenkov photons, produced in a gaseous radiator (n~1.0005, angular resolution~0.6mrad) is shown in the following Fig.1:
The different particle types follow distinct contours of constant mass, smeared by the effective angular resolution of the RICH detector; at higher momenta each particle emits a number of Cherenkov photons which, taken together, give a more precise measure of the average than does a single photon (see Fig.3 below), allowing effective particle separation to extend beyond 100 GeV in this example. This particle identification is essential for the detailed understanding of the intrinsic physics of the structure and interactions of elementary particles. The essence of the ring imaging method is to devise an optical system with single photon detectors, that can isolate the Cherenkov photons that each particle emits, to form a single "ring image" from which an accurate can be determined. A polar plot of the Cherenkov angles of photons associated with a 22 GeV/c particle in a radiator with =1.0005 is shown in Fig.2; both pion and kaon are illustrated; protons are below Cherenkov threshold,
, producing no radiation in this case (which would also be a very clear signal of particle type = proton, since fluctuations in the number of photons follow Poisson statistics about the expected mean, so that the probability of e. g. a 22 GeV/c kaon producing zero photons when ~12 were expected is very small; e−12 or 1 in 162755). The number of detected photons shown for each particle type is, for illustration purposes, the average for that type in a RICH having ~ 25 (see below). The distribution in azimuth is random between 0 and 360 degrees; the distribution in is spread with RMS angular resolution ~ 0.6 milliradians. Note that, because the points of emission of the photons can be at any place on the (normally straight line) trajectory of the particle through the radiator, the emerging photons occupy a light cone in space. In a RICH detector the photons within this light cone pass through an optical system and impinge upon a position sensitive photon detector. With a suitably focusing optical system this allows reconstruction of a ring, similar to that above in Fig.2, the radius of which gives a measure of the Cherenkov emission angle
The resolving power of this method is illustrated by comparing the Cherenkov angle per photon, see the first plot, Fig.1 above, with the mean Cherenkov angle per particle (averaged over all photons emitted by that particle) obtained by ring imaging, shown in Fig.3; the greatly enhanced separation between particle types is very clear.
Бұл әдістің шешу қабілеті фотондарға шаққандағы Черенков бұрышын (1-суретті қараңыз) бейнелеу арқылы алынған бөлшектерге шаққандағы орташа Черенков бұрышымен (осы бөлшектің шығарған барлық фотондары бойынша орташа есептелген) салыстыру арқылы көрсетіледі (3-суретте көрсетілген); бөлшектер түрлері арасындағы айқын үлкейтілген бөліну байқалады.
where is the speed of light. Knowledge of the particle's momentum and direction (normally available from an associated momentum spectrometer) allows a predicted for each hypothesis of the particles type; using the known of the RICH radiator gives a corresponding prediction of that can be compared to the of the detected Cherenkov photons, thus indicating the particle's identity (usually as a probability per particle type). A typical (simulated) distribution of vs momentum of the source particle, for single Cherenkov photons, produced in a gaseous radiator (n~1.0005, angular resolution~0.6mrad) is shown in the following Fig.1:
The different particle types follow distinct contours of constant mass, smeared by the effective angular resolution of the RICH detector; at higher momenta each particle emits a number of Cherenkov photons which, taken together, give a more precise measure of the average than does a single photon (see Fig.3 below), allowing effective particle separation to extend beyond 100 GeV in this example. This particle identification is essential for the detailed understanding of the intrinsic physics of the structure and interactions of elementary particles. The essence of the ring imaging method is to devise an optical system with single photon detectors, that can isolate the Cherenkov photons that each particle emits, to form a single "ring image" from which an accurate can be determined. A polar plot of the Cherenkov angles of photons associated with a 22 GeV/c particle in a radiator with =1.0005 is shown in Fig.2; both pion and kaon are illustrated; protons are below Cherenkov threshold,
, producing no radiation in this case (which would also be a very clear signal of particle type = proton, since fluctuations in the number of photons follow Poisson statistics about the expected mean, so that the probability of e. g. a 22 GeV/c kaon producing zero photons when ~12 were expected is very small; e−12 or 1 in 162755). The number of detected photons shown for each particle type is, for illustration purposes, the average for that type in a RICH having ~ 25 (see below). The distribution in azimuth is random between 0 and 360 degrees; the distribution in is spread with RMS angular resolution ~ 0.6 milliradians. Note that, because the points of emission of the photons can be at any place on the (normally straight line) trajectory of the particle through the radiator, the emerging photons occupy a light cone in space. In a RICH detector the photons within this light cone pass through an optical system and impinge upon a position sensitive photon detector. With a suitably focusing optical system this allows reconstruction of a ring, similar to that above in Fig.2, the radius of which gives a measure of the Cherenkov emission angle
The resolving power of this method is illustrated by comparing the Cherenkov angle per photon, see the first plot, Fig.1 above, with the mean Cherenkov angle per particle (averaged over all photons emitted by that particle) obtained by ring imaging, shown in Fig.3; the greatly enhanced separation between particle types is very clear.
Бөлшектерді анықтау
Шығаратын бөлшектің белгілі импульсі және радиатордың сыну индексін ескере отырып, әрбір бөлшектің түрі үшін күтілетін Черенков бұрышын болжауға болады, ал оның байқалған орташа Черенков бұрышынан айырмашылығы есептеледі. Осы айырманы сол санға бөлу гипотезаның байқаудан ауытқуының «сигма саны» өлшемін береді, оны әрбір мүмкін гипотезаның ықтималдығын немесе мүмкіндігін есептеуде қолдануға болады. Келесі 4-суретте каон гипотезасының нақты пион сақиналы кескінінен (π ≠ k) және пион гипотезасының нақты каон сақиналы кескінінен (k ≠ π) импульстің функциясы ретінде, = 1.0005, = 25, = 0.64 миллирадианмен RICH үшін «сигма саны» ауытқуы көрсетілген; сондай-ақ пиондардан (Ngπ) немесе каондардан (Ngk) анықталған фотондардың орташа саны көрсетілген. Көріп отырғанымыздай, RICH-тің екі бөлшекті ажырату қабілеті шекті деңгей мен 80 ГэВ/c аралығында 4 сигмадан асып түседі, ал шамамен 100 ГэВ-та 3 сигмадан төмен түседі. Бұл нәтиже «идеалды» детектор үшін, біртекті қабылдау және тиімділік, қалыпты қателік таралулары және нөлдік фон үшін екенін атап өту маңызды. Мұндай детектор жоқ, әрине, және нақты экспериментте осы әсерлерді есепке алу үшін әлдеқайда күрделі процедуралар қолданылады: позицияға тәуелді қабылдау және тиімділік; Гаусс емес қателік таралулары; елеусіз емес және өзгермелі оқиғаға тәуелді фондар. Іс жүзінде, әдеттегі коллайдерлік экспериментте туындайтын көп бөлшекті соңғы күйлер үшін каонды басқа соңғы күйдегі адроннан, негізінен пионнан ажырату – RICH-тің ең маңызды мақсаты. Осыған байланысты RICH-тің ең маңызды екі функциясы, сигналды барынша арттырып, комбинаторлық фонды барынша азайтады, – оның каонды каон ретінде дұрыс анықтауы және пионды каон ретінде қате анықтамауы. Байланысты ықтималдықтар, нақты деректердегі сигналды анықтау және фонды қабылдамаудың әдеттегі өлшемдері, төмендегі 5-суретте импульске байланысты олардың өзгеруін көрсету үшін (10% кездейсоқ фонды симуляциялау); 100 ГэВ-тағы ~30% π → k қате сәйкестендіру деңгейі, негізінен, симуляцияланған детектордағы 10% фондық соққылардың (жалған фотондардың) болуына байланысты; орташа Черенков бұрышындағы 3 сигмалық ажырату (жоғарыдағы 4-суретте көрсетілген) тек 6% қате сәйкестендіруді құрайды. Жоғарыда аталған сияқты RICH детекторлары үшін операциялық талдауларды жарияланған әдебиеттен табуға болады. Мысалы, CERN LHC-дегі LHCb эксперименті басқа B мезондардың ыдырауымен қатар, B0 → π+π− процесін зерттейді. Төмендегі 6-суретте сол жақта π+π− массасының таралуы идентификациясыз көрсетілген, мұнда барлық бөлшектер π деп есептеледі; қызығушылық тудыратын B0 → π+π− сигналы – түркіз нүктелі сызық және оны толықтай қоршап тұрады. Бірінші (RICH 1) әсерлесу нүктесінің маңындағы Vertex Locator (VELO)-дан кейін орналасқан және төмен импульсті бөлшектерге оңтайландырылған, ал екінші (RICH 2) магнит пен бөлшектерді бақылау қабаттарынан кейін орналасқан және жоғары импульсті бөлшектерге оңтайландырылған. Халықаралық ғарыш станциясына жақында орнатылған AMS 02 Альфа магниттік спектрометрі құрылғысы ғарыш сәулелерін талдау үшін басқа құрылғылармен бірге RICH детекторын қолданады.
Also shown are the average number of detected photons from pions(Ngπ) or from kaons(Ngk). One can see that the RICH's ability to separate the two particle types exceeds 4 sigma everywhere between threshold and 80 GeV/c, finally dropping below 3 sigma at about 100 GeV. It is important to note that this result is for an 'ideal' detector, with homogeneous acceptance and efficiency, normal error distributions and zero background. No such detector exists, of course, and in a real experiment much more sophisticated procedures are actually used to account for those effects; position dependent acceptance and efficiency; non Gaussian error distributions; non negligible and variable event dependent backgrounds. In practice, for the multi particle final states produced in a typical collider experiment, separation of kaons from other final state hadrons, mainly pions, is the most important purpose of the RICH. In that context the two most vital RICH functions, which maximise signal and minimise combinatorial backgrounds, are its ability to correctly identify a kaon as a kaon and its ability not to misidentify a pion as a kaon. The related probabilities, which are the usual measures of signal detection and background rejection in real data, are plotted in Fig.5 below to show their variation with momentum (simulation with 10% random background);
Note that the ~30% π → k misidentification rate at 100 GeV is, for the most part, due to the presence of 10% background hits (faking photons) in the simulated detector; the 3 sigma separation in the mean Cherenkov angle (shown in Fig.4 above) would, by itself, only account for about 6% misidentification. More detailed analyses of the above type, for operational RICH detectors, can be found in the published literature. For example, the LHCb experiment at the CERN LHC studies, amongst other B meson decays, the particular process B0 → π+π−. The following Fig.6 shows, on the left, the π+π− mass distribution without RICH identification, where all particles are assumed to be π ; the B0 → π+π− signal of interest is the turquoise dotted line and is completely swamped by background due to B and Λ decays involving kaons and protons, and combinatorial background from particles not associated with the B0 decay. The first (RICH 1) is located immediately after the Vertex Locator (VELO) around the interaction point and is optimised for low momentum particles and the second (RICH 2) is located after the magnet and particle tracker layers and optimised for higher momentum particles. The Alpha Magnetic Spectrometer device AMS 02, Fig.10, recently mounted on the International Space Station uses a RICH detector in combination with other devices to analyze cosmic rays.