Детекторный комплекс STAR

    Один из основных детекторных комплексов RHIC – STAR (Solenoidal Tracker At RHIC) предназначен для детектирования заряженных и нейтральных частиц, возникающих в результате взаимодействия релятивистских тяжелых ионов. В каждом столкновении ультрарелятивистских ионов рождается большое количество частиц. Так при центральных столкновениях Au–Au образуется свыше 1000 первичных частиц. Кроме того при взаимодействии первичных частиц с веществом детектора и распаде короткоживущих частиц возникают большие потоки вторичных частиц. Все эти частицы необходимо идентифицировать и определить их траектории.
     Большинство данных поступает от относительно медленных детекторов: TPC, SVT, FTPC, EMC.

    Сердцевиной детекторного комплекса STAR является большой детектор – время-проекционная камера TPC (Time Projection Chamber). TPC покрывает диапазон по псевдобыстроте |η| ≤ 1.8 и азимутальному углу Δφ = 2π. TPC является основным средством идентификации частиц с помощью измерения удельных потерь.
    Внутри TPC находятся вершинный трекер SVT (SiliconVertexTracker) и стриповый детектор SSD(Silicon Strip Detector) ( |η| < 1.0, Δφ = 2π).
    Трекинг при бóльших псевдобыстротах (2.5 ≤ |η| ≤ 4.0) и Δφ = 2πосуществляется с помощью двух FTPC (Forward Time Projection Chamber).
    Вокруг TPCнаходится триггер CTB (Central Trigger Barrel) ( |η| < 1.0, Δφ = 2π).
    CTB окружает электромагнитный калориметр BEMC (Barrel Electromagnetic Calorimeter) ( |η| < 1.0, Δφ = 2π).
    Цилиндрические детекторы STARнаходятся в поле 0.5 Т соленоидального магнита.
    В экспериментах d+Au и p+p используется также торцевой электромагнитный калориметр EEMC (Endcap Electromagnetic Calorimeter), покрывающий диапазон псевдобыстрот 1 < η < 2.
    Кроме того, в детекторном комплексе имеется мезонный спектрометр FMS (Forward Meson Spectrometer) (2.5 < η < 4.0).
    В экспериментах p+p в качестве одного из триггеров используются два сцинтилляционных детектора BBC (Beam-Beam Counter), расположенных по обеим сторонам от точки взимодействия на расстоянии 3.7 м.
    В экспериментах d+Au для этих целей используются калориметры ZDC (ZeroDegreeCalorimeter), расположенных по обеим сторонам от точки взимодействия на расстоянии 18 м..

    SVT (Silicon Vertex Tracker)
SVT служит для прецизионного определения как первичной вершины взаимодействия, так и вторичной, при слабом распаде короткоживущих частиц. Пространственное разрешение детектора 20 мкм по каждой координате. Кроме того, SVT позволяет осуществлять трекинг частиц с небольшими импульсами, которые отклоняются магнитным полем и не попадают в TPC. Высокое энергетическое разрешение SVT в измерении удельных потерь обеспечивает хорошую идентификацию частиц. SVT состоит из 216 кремний-дрейфовых детекторов, образующих три цилиндрических слоя вокруг ионопровода в области столкновения.
    Кремний-дрейфовый детектор можно представить себе как твердотельный аналог время проекционной камеры. SVT покрывает область по псевдобыстроте -1 ≤ η ≤ 1 и по азимутальному углу 0 ≤ φ ≤ 2π.

    SSD (Silicon Strip Detector) расположен на расстоянии 230 мм от оси пучка и образует четвертый слой внутренней трекинговой системы, покрывая диапазон псевдобыстрот |η| ≤ 1.2. Кремниевые пластинки с двусторонними стрипами (768 стрипов на каждой стороне) размещены на 20 держателях из углепластика, длиной 106 см. По 16 пластинок на каждом держателе.
    SSD позволяет улучшить точность определения точки взаимодействия и энергетических потерь заряженных частиц. Кроме того позволяет согласовать параметры треков, полученные от SVT и TPC и увеличить количество точек для восстановления трека. В частности это помогает увеличить эффективность детектирование долгоживущих метастабильных частиц. Пространственное разрешение SSD лучше чем ≈ 30 мкм по Rи φ и ≈ 860 мкм по Z.

    TPC(Time Projection Chamber)
    TPC как и SVT служит для трекинга и идентификации частиц.Совместное разрешение этих систем для удельных потерь 7%. Для большинства треков разрешение по импульсам δp/p = 0.02.
    TPC (длина 4.2 м, внешний диаметр 4 м, внутренний диаметр 1 м) расположен внутри тороидального магнита (до 0.5 Т) на расстоянии от 50 до 200 см от оси пучка. Объем TPC заполнен газовой смесью (10% метана, 90% аргона). Посередине камеры находится катод под потенциалом 28 кВ. В камере создано однородное электрическое поле параллельно оси.
    Время-проекционная камера это комбинация дрейфовой и пропорциональной камер. Когда заряженные частицы пролетают через объем, они ионизирую газ, образуя ионизационные кластеры, в каждом из которых от 1 до 5 электронов. Таким образом, трек релятивистской заряженной частицы, пересекающей объём камеры, состоит из цепочки таких кластеров. Электронные кластеры начинают дрейфовать к торцам цилиндра, при этом трехмерная форма траектории остается неизменной. Достигнув торцов цилиндра, где расположены многопроволочные пропорциональные камеры, электроны регистрируются. Поперечные координаты фикcируются пропорциональными камерами. Продольная координата определяется по времени дрейфа.

    FTPC (Forward Time Projection Chamber)
    FTPC позволяет увеличить возможности эксперимента STAR – измерять импульсы и скорости образования как положительно и отрицательно заряженных частиц, так и нейтральных странных частиц. FTPC покрывает фазовый объем: 2.5 ≤ |η| ≤ 4.0, Δφ = 2π.
    FTPC представляют собой цилиндрические структуры диаметром 75 см и длиной 120 см, расположенных по обеим сторонам от TPC. В FTPC используется смесь – 50% Ar, 50% CO₂. Дрейф в FTPC происходит в радиальном направлении. Это решение было принято для того, чтобы обеспечить лучшее разделение треков в области вблизи ионопровода, где плотность частиц максимальна. В центре находится тонкая металлизированная пластиковая трубка, служащая катодом, внешний цилиндр находится по потенциалом земли. В FTPC используются изогнутые камеры считывания. FTPC обеспечивает пространственное разрешение 100 мкм, разделение двух треков
1–2 мм, разрешение по импульсам 12–15%. до десятикратного измерения координат вдоль трека частицы.

    CTB (Central Trigger Barrel)
    CTB состоит из 240 сцитилляционных реек, расположенных вокруг TPC. Каждая рейка просматривается одним ФЭУ. CTB покрывет диапазон от -1 до +1 по η и от 0 до 2π по φ.

    ZDC (Zero Degree Сalorimeter)
    ZDC – небольшие адронные калориметры, расположенные по обеим сторонам от дипольных магнитов. Они измеряют энергию нейтральных частиц в конусе 2 мрад относительно направления пучка. Заряженные частицы в них не попадают, так как отклоняются магнитами. Они расположены на расстоянии ~18 м от точки взаимодействия. ZDC служит для подсчета свободных "спектаторных" нейтронов. Это используется, обычно в сочетании с BBC, для характеристики событий. Кроме того, сигнал совпадения от двух ZDC, распложенных по обеим сторонам от точки взаимодействия служит для мониторирования светимости.

    BBC (Beam-Beam Counter)
    Два BBC расположены по обеим сторонам от TPC. Каждый счетчик представляет из себя кольцевые слои сцинтилляционных трубок, окружающих ионопровод. Cигнал от двух счетчиков позволяет определить точку и время взаимодействия.

    BEMC (Barrel Electromagnetic Calorimeter)
    BEMC – электромагнитный калориметр. Он окружает CTB и TPC и покрывает ту же область фазового пространства, что и CTB: -1 < η < 1 и 0 < φ < 2π. Он сегментирован на 4800 столбиков (свинец-пластиковый сцинтиллятор). Каждый столбик имеет размеры (Δη,Δφ) =(0.05, 0.05). Для триггерных систем столбики сгруппированы по 16, соответственно каждая группа покрывает (Δη,Δφ) = (0.2, 0.2).

    EEMC (Endcap Electromagnetic Calorimeter)
    Как и BEMC, EEMC – электромагнитный калориметр. Он покрывает торец TPC: 1 < η < 2 и 0 < φ < 2π. Он составлен из 720 столбиков (свинец-пластиковый сцинтиллятор) (Δη,Δφ) = (0.05,0.1)или Δη,Δφ) = (0.1,0.1). Так же как в BEMC, столбики сгрупированы по 8 с покрытием (Δη,Δφ) = (0.3,0.2).

    FPD (Forward Pion Detector)
    FPD представляет собой сильно секционированный спектрометр нейтральных мезонов, покрывающий большой диапазон псевдобыстрот 2.5 < η < 4.0 и полный азимутальный угол. Он состоит из двух концентрических областей. Внутренняя, состоящая и малых ячеек, покрывает диапазон псевдобыстрот 3 < η < 4.0, внешняя, состоящая из бóльших ячеек, покрывает диапазон псевдобыстрот 2.5 < η < 3.4. Вместе они составляют квадратную матрицу 2×2 м² с обрезанными углами.  Во внутренней области 476 детекторов из свинцового стекла, во внешней 788 детекторов бóльшего размера. Детекторы регистрируют черенковское излучение электромагнитных ливней, возникающих при взаимодействии частиц со свинцом детекторов.

    TOF
    Возможности по идентификации частиц в детекторном комплексе STAR были увеличены за счет установки сегментированной системы времени пролета (TOF). Цилиндрический сегментированный детектор TOF окружает TPC. Идентификация происходит с помощью информации о времени пролета, т.е. времени между возникновением события и попаданием частицы в определенный сегмент системы TOF. Трековая информация от TPC позволяет определить импульс частицы и длину траектории от точки взаимодействия до точки регистрации. Таким образом, для каждого трека по длине траектории и времени ее пролета определяется скорость β, а, зная импульс, определяется масса. Это позволяет проводить идентификацию в заметно большем диапазоне импульсов, чем только с одной время-проекционной камерой.
    В системе TOF детекторного комплекса STAR используется многозазорная камера с резистивными пластинами (Multigap Resistive Plate Chamber)