Введение

Идентификация частиц — это процесс определения типа частицы на основе информации, которую она оставляет при прохождении через детектор частиц. Идентификация частиц снижает уровень фоновых событий и повышает точность измерений, и является необходимым элементом для многих анализов, проводимых на детекторах частиц.

Заряженные частицы

Заряженные частицы были идентифицированы с использованием различных техник. Все методы основаны на измерении импульса в трековой камере в сочетании с измерением скорости для определения массы заряженной частицы и, следовательно, её идентификации.

Специфическая ионизация

Заряженная частица теряет энергию в веществе посредством ионизации со скоростью, частично определяемой её скоростью. Потеря энергии на единицу длины обычно обозначается как dE/dx. Измерение потери энергии производится либо в специализированных детекторах, либо в трековых камерах, предназначенных также для измерения потерь энергии. Потеря энергии в тонком слое материала подвержена значительным флуктуациям, поэтому для точного определения dE/dx требуется большое количество измерений. Отбрасываются отдельные измерения, попадающие в области низких и высоких энергий (хвосты распределения).

Время полета

Детекторы времени пролета определяют скорость заряженных частиц, измеряя время, необходимое для прохождения от точки взаимодействия до детектора времени пролета или между двумя детекторами. Способность различать типы частиц снижается по мере приближения скорости частицы к максимально возможному значению – скорости света, и поэтому они эффективны лишь для частиц с малым фактором Лоренца.

Детекторы Черенкова

Излучение Черенкова испускается заряженной частицей при прохождении через среду со скоростью, превышающей c/n, где n — показатель преломления среды. Угол, под которым испускаются фотоны относительно направления движения заряженной частицы, зависит от её скорости. Применялось множество различных геометрий детекторов Черенкова.

Фотоны

Фотоны идентифицируются, поскольку они передают всю свою энергию электромагнитному калориметру детектора, но не регистрируются в трековой камере (например, во внутреннем детекторе ATLAS) из-за своей нейтральности. Нейтральный пион, распадающийся внутри ЭМ-калориметра, может имитировать этот эффект.

Электроны

Электроны проявляются в виде трека во внутреннем детекторе и полностью передают свою энергию электромагнитному калориметру. Энергия, зарегистрированная в калориметре, должна соответствовать импульсу, измеренному в трековой камере.

Мюоны

Мюоны проникают сквозь большее количество вещества, чем другие заряженные частицы, и поэтому могут быть идентифицированы по их наличию в самых внешних детекторах.

Частицы тау

Для идентификации тау необходимо отличать узкую "струю", возникающую при адронном распаде тау, от обычных кварковых струй.

Нейтрино

Нейтрино не взаимодействуют в детекторах частиц и поэтому остаются незамеченными. Их присутствие можно установить по нарушению баланса импульса видимых частиц в событии. В электронно-позитронных коллайдерах возможно восстановление импульса нейтрино во всех трех измерениях и энергии нейтрино. Реконструкция энергии нейтрино требует точной идентификации заряженных частиц. В коллайдерах, использующих адроны, можно определить только поперечную компоненту импульса.

Нейтральные адроны

Нейтральные адроны иногда могут быть идентифицированы в калориметрах. В частности, могут быть идентифицированы антинейтроны и K⁰L. Нейтральные адроны также могут быть идентифицированы на электронно-позитронных коллайдерах аналогично нейтрино.

Тяжелые кварки

Маркировка вкуса кварка определяет, от какого кварка произошла струя. B-тегирование, идентификация b-кварков, является наиболее важным примером. B-тегирование основано на том, что b-кварк является самым тяжелым кварком, участвующим в адронном распаде (топ-кварки тяжелее, но для наличия топ-кварка в распаде необходимо сначала произвести более тяжелую частицу, которая затем распадется на топ-кварк). Это означает, что b-кварк имеет короткое время жизни, что позволяет искать вершину его распада во внутреннем трекере. Кроме того, продукты его распада летят поперек направления пучка, что приводит к высокой множественности частиц в струе. Маркировка c-кварков с использованием аналогичных методов также возможна, но крайне затруднена из-за меньшей массы. Маркировка струй, происходящих от более легких кварков, принципиально невозможна, поскольку на фоне QCD слишком много неразличимых струй.