Введение
Кольцевой изобразительный детектор Черенкова (RICH) – это устройство для идентификации типа электрически заряженной субатомной частицы с известным импульсом, проходящей через прозральную среду с показателем преломления, посредством измерения наличия и характеристик излучения Черенкова, возникающего при этом прохождении. Детекторы RICH были впервые разработаны в 1980-х годах и используются в высокоэнергетических экспериментах по физике элементарных частиц, ядерной физике и астрофизике. В данной статье изложены истоки и принципы работы детектора RICH, а также приведены краткие примеры его различных конструкций, применяемых в современных физических экспериментах.
Происхождение
Метод регистрации кольцевых изображений был впервые предложен Жаком Сегино и Томом Ипсилантисом, работавшими в ЦЕРНе в 1977 году. Их исследования и разработки высокоточных детекторов одиночных фотонов и соответствующей оптики заложили основу для проектирования, разработки и строительства первых крупномасштабных RICH-детекторов на установке OMEGA в ЦЕРНе и в эксперименте DELPHI (Large Electron–Positron Collider) LEP.
and LEP (Large Electron–Positron Collider) DELPHI experiment.
Принципы
Детектор Черенкова с кольцевым изображением (RICH) позволяет идентифицировать типы электрически заряженных субатомных частиц путем обнаружения излучения Черенкова, излучаемого (в виде фотонов) частицей при прохождении через среду с показателем преломления > 1. Идентификация достигается путем измерения угла излучения, θ, излучения Черенкова, который связан со скоростью заряженной частицы v соотношением:
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.
где c – скорость света. Знание импульса и направления частицы (обычно доступно из ассоциированного импульсного спектрометра) позволяет предсказать θ для каждой гипотезы о типе частицы; использование известного показателя преломления n радиатора RICH дает соответствующее предсказание, которое можно сравнить с углами обнаруженных фотонов Черенкова, тем самым указывая на идентичность частицы (обычно в виде вероятности для каждого типа частицы). Типичное (симулированное) распределение θ в зависимости от импульса исходной частицы для одиночных фотонов Черенкова, полученных в газообразном радиаторе (n ~ 1.0005, угловое разрешение ~ 0.6 мрад), показано на следующем рисунке 1. Различные типы частиц следуют различным контурам постоянной массы, размытым эффективным угловым разрешением детектора RICH; при более высоких импульсах каждая частица излучает некоторое количество фотонов Черенкова, которые вместе дают более точную оценку среднего угла θ, чем один фотон (см. рисунок 3 ниже), что позволяет эффективному разделению частиц выходить за пределы 100 ГэВ в этом примере. Такая идентификация частиц необходима для детального понимания внутренней физики структуры и взаимодействий элементарных частиц. Суть метода кольцевого изображения заключается в разработке оптической системы с детекторами одиночных фотонов, способной изолировать фотоны Черенкова, излучаемые каждой частицей, для формирования единого "кольцевого изображения", из которого можно определить точное значение θ. Полярный график углов Черенкова фотонов, связанных с частицей 22 ГэВ/c в радиаторе с n = 1.0005, показан на рисунке 2; иллюстрированы пион и каон; протоны находятся ниже порога Черенкова, θc, и не производят никакого излучения в этом случае (что также было бы очень четким сигналом типа частицы = протон, поскольку колебания числа фотонов следуют статистике Пуассона относительно ожидаемого среднего, так что вероятность, например, того, что каон 22 ГэВ/c произведет ноль фотонов, когда ожидалось ~12, очень мала; e-12 или 1 из 162755). Количество обнаруженных фотонов, показанное для каждого типа частиц, является, для иллюстративных целей, средним для этого типа в RICH с ~ 25 (см. ниже). Распределение по азимуту случайно между 0 и 360 градусами; распределение по θ имеет разброс с RMS угловым разрешением ~ 0.6 миллирадиана. Следует отметить, что поскольку точки излучения фотонов могут находиться в любом месте на (обычно прямой) траектории частицы через радиатор, излученные фотоны занимают световой конус в пространстве. В детекторе RICH фотоны внутри этого светового конуса проходят через оптическую систему и попадают на позиционно-чувствительный детектор фотонов. При использовании подходящей фокусирующей оптической системы это позволяет реконструировать кольцо, подобное тому, что показано выше на рисунке 2, радиус которого дает меру угла излучения Черенкова.
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.
Разрешающая способность этого метода иллюстрируется сравнением угла Черенкова на фотон (см. первый график, рисунок 1 выше) со средним углом Черенкова на частицу (в среднем по всем фотонам, излучаемым этой частицей), полученным с помощью метода кольцевого изображения, показанного на рисунке 3; значительно улучшенное разделение между типами частиц очевидно.
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.
Идентификация частиц
Учитывая известный импульс излучающей частицы и показатель преломления радиатора, можно предсказать ожидаемый угол Черенкова для каждого типа частиц и рассчитать разницу между ним и наблюдаемым средним углом Черенкова. Деление этой разницы на σ дает меру отклонения гипотезы от наблюдения, которая может быть использована для вычисления вероятности или правдоподобия для каждой возможной гипотезы. На следующем рисунке 4 показано отклонение в «числах сигм» гипотезы о каоне от истинного изображения кольца пиона (π, а не k) и гипотезы о пионе от истинного изображения кольца каона (k, а не π) в зависимости от импульса для RICH с n = 1.0005, p = 25, θ = 0.64 миллирадиан; Также показано среднее количество обнаруженных фотонов от пионов (Ngπ) или от каонов (Ngk). Можно видеть, что способность RICH разделять два типа частиц превышает 4σ повсюду в диапазоне от порога до 80 ГэВ/c, и в конечном итоге опускается ниже 3σ примерно при 100 ГэВ. Важно отметить, что этот результат относится к «идеальному» детектору с однородным поглощением и эффективностью, нормальным распределением ошибок и нулевым фоном. Разумеется, такого детектора не существует, и в реальном эксперименте используются гораздо более сложные процедуры для учета этих эффектов: зависимость поглощения и эффективности от положения; распределения ошибок, отличные от гауссовых; заметный и переменный фон, зависящий от событий. На практике, для многочастичных конечных состояний, образующихся в типичном эксперименте на коллайдере, отделение каонов от других адронов конечного состояния, в основном пионов, является наиболее важной задачей RICH. В этом контексте две наиболее важные функции RICH, максимизирующие сигнал и минимизирующие комбинаторный фон, – это его способность правильно идентифицировать каон как каон и его способность не ошибочно идентифицировать пион как каон. Соответствующие вероятности, которые обычно используются для измерения обнаружения сигнала и отторжения фона в реальных данных, представлены на рисунке 5 ниже, чтобы показать их изменение с импульсом (моделирование со случайным фоном 10%); Обратите внимание, что частота ошибочной идентификации π → k, составляющая около 30% при 100 ГэВ, в основном обусловлена наличием 10% фоновых событий (ложных фотонов) в смоделированном детекторе; разделение в 3σ в среднем угле Черенкова (показано на рисунке 4 выше) само по себе объяснило бы лишь около 6% ошибочной идентификации. Более подробный анализ подобного типа для рабочих детекторов RICH можно найти в опубликованной литературе. Например, эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе изучает, среди прочих распадов B-мезонов, конкретный процесс B0 → π+π−. На следующем рисунке 6, слева, показано распределение массы π+π− без идентификации RICH, где все частицы считаются пионами; интересующий сигнал B0 → π+π− представлен бирюзовой пунктирной линией и полностью замаскирован фоном от распадов B и Λ с участием каонов и протонов, а также комбинаторным фоном от частиц, не связанных с распадом B0. Первый (RICH 1) расположен непосредственно после вершинного локатора (VELO) вокруг точки взаимодействия и оптимизирован для частиц с низким импульсом, а второй (RICH 2) расположен после магнита и слоев трековых камер и оптимизирован для частиц с более высоким импульсом. Устройство Альфа-магнитный спектрометр AMS 02, рисунок 10, недавно установленное на Международной космической станции, использует детектор RICH в сочетании с другими устройствами для анализа космических лучей.
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.