Детектор переходного излучения и времяпролетная камера детектора ALICE

Ю. Скородумина

Детектор переходного излучения
и времяпролетная камера детектора ALICE

Введение

Рис. 1. Общий вид ускорительного кольца LHC (рисунок И. Иванова)

Рис. 1. Схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC

На рис. 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC (Large Hadron Collider). Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1-2, 2-3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных – ATLAS и CMS, и два средних — ALICE и LHCb.
Детекторы ALICE и LHCb являются крупными, но специализированными установками. Детектор ALICE «заточен» под изучение столкновений тяжелых ядер, в которых рождаются уже не сотни, а десятки тысяч отдельных адронов, поэтому критическим для него становится умение различать треки отдельных частиц. Кроме того, специальные детекторы отслеживают «осколки» ядер, которые не поучаствовали в столкновении, а просто пролетели мимо.

Детектор ALICE

Детектор ALICE – это крупный детектор, оптимизированный для изучения столкновений тяжелых ядер. Его размеры составляют 26 метров в длину и 16 на 16 метров в поперечной плоскости; полная масса детектора – 10 тысяч тонн.

Рис. 1. Общий вид детектора ALICE. Рис. с сайта public.web.cern.ch
Рис. 2. Общий вид детектора ALICE

    Столкновение тяжелых релятивистских ядер отличается от простого столкновения отдельных нуклонов тем, что на короткое время оно может привести к возникновению кварк-глюонной плазмы. Кварк-глюонная плазма – состояние сильновзаимодействующей материи, характеризующееся отсутствием удержания цвета. В этом состоянии цветные кварки и глюоны, пленённые адронами в адронной материи, освобождаются и могут распространяться как квазисвободные частицы по всему объёму плазменной материи - возникает "цветопроводимость" (аналогично появлению электропроводности в обычной электрон-ионной плазме).
    Столкновения тяжелых ядер имеют свою специфику. Во-первых, столкновения точно лоб в лоб происходят редко. Гораздо чаще случается нецентральное столкновение, при котором ядра как бы «задевают плечом» друг друга. Нуклоны при этом разделяются на две части: столкнувшиеся остаются в центре, порождая на короткое время кварк-глюонную плазму, а не столкнувшиеся – просто пролетают мимо. Поэтому в каждом конкретном столкновении температура и плотность кварк-глюонной плазмы получаются разными.
    Во-вторых, картина разлета кварк-глюонной плазмы очень непохожа на результат столкновения двух протонов. При расширении и остывании кварк-глюонной плазмы образуется очень много (десятки тысяч) частиц, но их энергии при этом получаются умеренно большими — порядка десятков ГэВ. Столкновения, в которых рождались бы очень высокоэнергетические частицы (с энергией порядка ТэВ), намного менее вероятны, чем при столкновении протонов.
    Наконец, при изучении столкновения ядер возрастает роль хорошей идентификации частиц. Частицы, игравшие не очень заметную роль в столкновении протонов, теперь выходят на первый план, поскольку они позволяют заглянуть в самый центр кварк-глюонной плазмы.
    Идентификация частиц осуществляется в детекторе ALICE комбинированным способом. Информация о том, какой именно частице отвечает тот или иной трек, извлекается из плотности ионизационного следа внутри время-проекционной камеры, а также по отклику двух специальных детекторов: детектора переходного излучения и времяпролетной камеры.

Детектор переходного излучения - The Transition Radiation Detector (TRD)

    Этот детектор регистрирует заряженные частицы большой энергии по переходному излучению, испускаемому ими при пересечении границы раздела сред с различными диэлектрическими проницаемостями.
    Интенсивность переходного излучения пропорциональна квадрату заряда частицы Ze² и (при больших энергиях) её релятивистскому фактору γ = [1 - (v/c)²]^-1/2, т. е. интенсивность переходного излучения высокоэнергичной частицы пропорциональна её энергии Е = mc²γ. Основная часть переходного излучения расположена в рентгеновском диапазоне частот. Излучение сосредоточено внутри конуса с углом = 1/γ относительно направления движения частицы. Эти свойства переходного излучения позволяют использовать его для определения массы и заряда частиц при очень больших энергиях (>100 ГэВ), когда другие методы неприменимы или недостаточно эффективны. При одной и той же энергии легкие частицы, у которых релятивистский фактор велик, производят гораздо более интенсивное переходное излучение, чем тяжелые, имеющие относительно малый релятивистский фактор. Таким образом, регистрируя количество переходных фотонов, можно различать частицы.
    Детектор состоит из радиатора и дрейфовой камеры, заполненной смесью Xe/CO₂ в соотношении 85%/15%. Частицы проходят через радиатор, испуская в нем переходное излучение, а затем попадают в дрейфовую камеру.

Детектор переходного излучения (http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter2/Chap2_TRD.html)
Рис. 3. Детектор переходного излучения

    Так как вероятность испускания фотона переходного излучения при однократном пересечении границы сред мала (≈1/100), то используют слоистые или пористые радиаторы с низким атомным номером и большим числом границ раздела.
    Радиатор детектора переходного излучения ALICE состоит из пропиленового волокна толщиной 3.2 см, зажатого между пористыми листами материала Rohacell толщиной 0.8 см каждый. Каждый слой Rohacell снаружи покрыт слоем углеродного волокна толщиной 0.1 мм.
    Дрейфовая камера это заполненная газом (в данном случае – смесь Xe и CO₂) трубка, внутри которой натянуто много тончайших проволочек. Все проволочки находятся под напряжением, а их расположение выбрано таким образом, чтобы в пространстве между двумя массивами проволочек возникало однородное электрическое поле. Когда заряженная частица пролетает сквозь газовую камеру, она оставляет пространственный ионизационный след. Под действием электрического поля ионизация (прежде всего, электроны) движется с постоянной скоростью («дрейфует») вдоль линий поля по направлению к проволочкам-анодам. Достигнув края камеры, ионизация тут же поглощается электроникой, которая передает на выход сигнальный импульс. Поскольку считывающих элементов очень много, по сигналам с них можно с хорошей точностью восстановить координаты пролетевшей частицы, а значит, и траекторию. Таким образом, дрейфовая камера позволяет определить траекторию частицы по времени пролета электронов.

http://aliceinfo.cern.ch/Public/Objects/Chapter2/DetectorComponents/TRD_electronId.gif

Рис. 4. Распределение показаний соседних пластинок по времени дрейфа.

    Обычно количество ионизации, которое создает в газовой камере пролетающая частица, невелико. Для того чтобы увеличить надежность сбора и регистрации заряда и уменьшить погрешность его измерения, требуется усилить сигнал еще до регистрации его электроникой. Делается это с помощью специальной сети анодных и катодных проволочек, натянутых вблизи считывающей аппаратуры. Проходя вблизи анодной проволочки, облачко электронов порождает на ней лавину, в результате которой электронный сигнал многократно усиливается.
    Размер дрейфовой области – 30 мм. Дрейфовое поле – 700 V/см, что соответствует скорости дрейфа 1.5 см/мкс. Коэффициент усиления сети анодных и катодных проволок около 5000.
    Катод представляет собой набор прямоугольных пластинок площадью 6 см² каждая. Приходящий на катод сигнал записывается 15 раз в различные моменты времени. Отношение зарядов, пришедших на соседние пластинки для каждого момента времени позволяет определить расположение трека в камере.
    На рисунке 4 показано распределение по дрейфовому времени средних значений, полученных с соседних пластинок для пионов и электронов. Для электронов заметно существенное увеличение показаний по сравнению с пионами.

Времяпролетная камера (Time of Flight Detector)

http://aliceinfo.cern.ch/Public/Objects/Chapter2/DetectorComponents/TOFCylinder.gif

Рис. 5. Времяпролетная камера

    Заряженные частицы промежуточных энергий идентифицируются при помощи времяпролетной камеры. В камере измеряется время, за которое частицы проходят заданное расстояние. По этому времени можно рассчитать скорость частицы, а если при этом известен импульс (измеряется в трековых детекторах), то можно рассчитать массу частицы.
    Времяпролетная камера имеет цилиндрическую форму и покрывает собой полярные углы от 45^o до 135^o. Она имеет модульную структуру с 18 секторами по углу φ; каждый сектор поделен на 5 детектирующих модулей (MRPC) вдоль направления движения пучка.
    Детектирующим элементом во времяпролетной камере ALICE является MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber). Это длинная полоска (стрип) размером 7.4 на 120 см². Она имеет 96 активных выходных элементов размером 2.5 на 3.5 см² и состоит из двух слоёв стекла, каждый с пятью зазорами толщиной 250 мкм, заполненными газом. Эти слои стекла разделяются нейлоновой рыболовной леской, которая сохраняет фиксированное расстояние между ними.

Рис. 6. Конструкция MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber)

К внешним поверхностям слоев стекла приложено высокое напряжение. Далее следуют электроды, собирающие заряд. Заряженная частица, пролетая сквозь детектирующий элемент, ионизирует газ, и в сильном электрическом поле образуется электронная лавина. Стеклянные пластины задерживают лавину, образовавшуюся в каждом газовом зазоре, проводя быстрый сигнал, индуцированный на электродах при движении электронов. Таким образом, полный сигнал это сумма сигналов из каждого газового зазора, тогда как время прихода сигнала зависит от ширины зазора. Большое количество газовых зазоров сделано для увеличения точности. Зазоры делаются узким для улучшения временного разрешения.

Shema of the working principle of the TOF Multigap Resistive Plate Chamber (MRPC)

Рис. 7. Принцип действия времяпролетной камеры

Источники информации: