Введение
В физике частиц герметический детектор (также называемый детектором 4π) - детектор частиц, предназначенный для наблюдения всех возможных продуктов распада взаимодействия между субатомными частицами в коллайдере, охватывая как можно большую площадь вокруг точки взаимодействия и включая несколько типов суб-детекторов. Они обычно имеют грубо цилиндрический вид, с различными типами детекторов, обернутыми друг вокруг друга в концентрические слои; каждый тип детектора специализируется на конкретных частицах, так что почти любая частица будет обнаружена и идентифицирована. Такие детекторы называются "герметическими", потому что они сконструированы таким образом, что движение частиц прекращается на границах камеры без какого-либо движения за ее пределы из-за уплотнений; название "4π детектор" происходит от того факта, что такие детекторы предназначены для покрытия почти всех 4π стердиан твердого угла вокруг точки взаимодействия; с точки зрения стандартной системы координат, используемой в физике коллайдеров, это эквивалентно покрытию всего диапазона азимутального угла и псевдоскорости. На практике частицы с псевдоскоростью выше определенного порога не могут быть измерены, поскольку они слишком близки к параллельной линии луча и, таким образом, могут пройти через детектор. Это ограничение диапазонов псевдоскорости, которые могут быть наблюдены, является частью приемлемости детектора (т.е. диапазона фазового пространства, которое он может наблюдать); в целом, основная цель конструкции герметичного детектора - максимизировать приемлемость, т.е. обеспечить, чтобы детектор мог измерять как можно большую область фазового пространства. Первым таким детектором был Mark I в Стэнфордском центре линейных ускорителей, и основная конструкция была использована для всех последующих детекторов коллайдеров. До постройки Mark I считалось, что большинство продуктов распада частиц будут иметь относительно низкий поперечный импульс (то есть импульс перпендикулярный линии луча), поэтому детекторы могут охватывать только эту область. Однако в ходе экспериментов Mark I и последующих экспериментов было установлено, что большинство фундаментальных взаимодействий частиц в коллайдерах включают очень большие обмены энергии, и поэтому большие поперечные моменты не являются редкостью; по этой причине большое угловое покрытие имеет решающее значение для современной физики частиц. Более поздние герметические детекторы включают детекторы CDF и DØ в ускорителе Tevatron Fermilab, а также детекторы ATLAS и CMS в LHC CERN. Эти машины имеют герметичную конструкцию, потому что они являются детекторами общего назначения, что означает, что они могут изучать широкий спектр явлений в физике высоких энергий. Более специализированные детекторы не обязательно имеют герметичную конструкцию; например, LHCb охватывает только переднюю (высокую псевдоскорость) область, потому что это соответствует фазовому пространству, представляющему наибольший интерес для его физической программы.
Компоненты
Существует три основных компонента герметичного детектора. Снаружи - первая - это трекер, который измеряет импульс заряженных частиц, поскольку они изгибаются в магнитном поле. Далее есть один или несколько калориметров, которые измеряют энергию большинства заряженных и нейтральных частиц, поглощая их в плотном материале, и мюонная система, которая измеряет один тип частицы, который не останавливается через калориметры и все еще может быть обнаружен. Каждый компонент может иметь несколько различных специализированных подкомпонентов.
Трекеры
Магнитное поле детектора заставляет частицу вращаться, ускоряя ее в направлении, перпендикулярном ее движению, посредством силы Лоренца. Система отслеживания наносит на график спираль, отслеживаемую такой заряженной частицей, когда она проходит через магнитное поле, локализуя ее в пространстве в тонко сегментированных слоях обнаруживающего материала, обычно кремния. Радиус кривизны частицы пропорционален ее импульсу перпендикулярно лучу (т.е. поперечному импульсу или ) согласно формуле (где заряд частицы и где магнитная индукция), в то время как степень, с которой она дрейфует в направлении оси луча, дает ее импульс в этом направлении.
Калориметры
Калориметры замедляют движение частиц и поглощают их энергию в материалы, позволяя измерять эту энергию. Их часто делят на два типа: электромагнитный калориметр, который специализируется на поглощении частиц, взаимодействующих электромагнитно, и адронный калориметр, который может обнаруживать адроны, которые взаимодействуют через сильную ядерную силу. Для обнаружения тяжелых нейтральных частиц требуется адронный детектор.
Мюонная система
Из всех известных стабильных частиц только мюоны и нейтрино проходят через калориметр, не теряя большую часть или всю свою энергию. Нейтрино не могут быть непосредственно наблюдены в экспериментах с коллайдером из-за их чрезвычайно небольшого сечения взаимодействия с адронной материей (например, из которой сделан детектор), и их существование должно быть выведено из так называемой "пропавшей" (поперечной) энергии, которая рассчитывается, как только все другие частицы в событии учитываются. Однако мюоны (которые заряжены) могут быть измерены дополнительной системой отслеживания вне калориметров.
Идентификация частиц
Большинство частиц имеют уникальные комбинации сигналов, оставленных в каждой подсистеме детектора, что позволяет идентифицировать различные частицы. Например, электрон заряжен и взаимодействует электромагнитно, поэтому он отслеживается трекером, а затем откладывает всю свою энергию в (электромагнитный) калориметр. В отличие от этого, фотон нейтрален и взаимодействует электромагнитно, поэтому он откладывает свою энергию в калориметре, не оставляя следа.