¿Cómo funciona el calorímetro hadrónico de manera diferente al calorímetro electromagnético?

Comencemos con el principio de los calorímetros: un calorímetro es un dispositivo que mide las energías de partículas de alta energía (por encima de unos pocos cientos de MeV) y lo logra absorbiendo la partícula y midiendo la energía absorbida. El problema es que, si bien una energía GeV es mucho en el mundo de partículas elementales, es una energía extremadamente pequeña en el mundo macroscópico, donde vivimos con nuestros detectores. Por lo tanto, la medición de la energía absorbida se realiza midiendo las energías depositadas (o, en casos más simples, la suma de las longitudes de las pistas) de partículas secundarias. La absorción de una partícula de alta energía en un medio material es un proceso gradual: la partícula colisiona con electrones y núcleos en el medio, produciendo partículas secundarias, con energías inferiores a las primarias. Aquellos a su vez chocan con otros, produciendo secundarias de energía aún más bajas, y así sucesivamente, hasta que la energía de las partículas producidas en las etapas posteriores se vuelve tan baja, que son detenidas por las pérdidas de ionización. Entonces, lo que obtienes es una cascada de partículas de energías cada vez más bajas, y el número de partículas en dicha cascada y su longitud total de pista es proporcional a la energía de partículas incidentes (con algunas fluctuaciones, debido al carácter estocástico del desarrollo de la cascada).

Una verdadera medición de la longitud total de la pista requeriría que el medio absorbente sea al mismo tiempo un detector activo. Esto es posible, pero a menudo desagradable, por lo tanto, una construcción más común es intercalar capas de absorbentes de alta densidad con capas de detectores. De esta manera, no mide la longitud total de las pistas secundarias, sino que muestra esas pistas a profundidades fijas a lo largo de la cascada en desarrollo. Si la densidad de las capas de muestreo es suficientemente alta, entonces el número de partículas detectadas sigue siendo estadísticamente proporcional a la energía primaria.

La siguiente pregunta a aclarar es la diferencia entre las cascadas electromagnéticas y hadrónicas. Si una cascada es iniciada por un electrón (o positrón) o un fotón, entonces consistirá solo de electrones y fotones. Esto se debe a que los electrones en un medio pierden energía principalmente debido al proceso bremstrahlung (que produce fotones) y la dispersión elástica en los electrones, mientras que los fotones pierden energía a la producción del par electrón-positrón, la dispersión de Compton en los electrones del proceso fotoeléctrico. Existe una pequeña probabilidad de que un electrón o fotón de alta energía interactúe con el núcleo atómico y produzca hadrones, pero es lo suficientemente pequeño como para descuidarlo al considerar la construcción del calorímetro.

Los hadrones, por otro lado, interactúan en un medio principalmente por colisiones con núcleos atómicos, y una colisión típica de núcleos de hadrones de alta energía produce muchas partículas secundarias de todos los tipos posibles, incluidos los fotones (principalmente de las desintegraciones de los piones neutros) y los electrones (de las desintegraciones). de quarks pesados), pero sobre todo otros hadrones. Por lo tanto, una cascada hadrónica es diferente de una electromagnética: generalmente es más larga (porque la ruta libre media de un hadron es más larga que la ruta libre promedio de un electrón o un fotón en el mismo medio), contiene algunos componentes electromagnéticos y algunos la energía puede escapar sin ser detectada en forma de neutrinos o neutrones de baja energía.

Y esta diferencia en el desarrollo de la cascada es lo que hace la diferencia cuando se trata de la construcción del calorímetro. Los calorímetros electromagnéticos, es decir, aquellos construidos para la medición de las energías de electrones y fotones, son más compactos (debido a que la cascada es más corta y también más estrecha), tienen un medio absorbente elegido para maximizar la densidad de electrones. Los calorímetros hadrónicos son más grandes, a menudo tienen muestras menos frecuentes y el medio se elige para maximizar la densidad de los núcleos atómicos, no de los electrones.

En general, no sabe de antemano qué partícula golpeará su detector, por lo tanto, qué calorímetro debe colocar en su camino. La solución habitual para esto es construir un calorímetro electromagnético, seguido de uno hadrónico, como en este ejemplo:

Si tiene una buena señal en el calorímetro electromagnético, mientras que la parte hadrónica no registra nada significativo, asume que la partícula inicial era un electrón o un fotón, y mide su energía usando la señal de la parte electromagnética sola. Si tiene una señal significativa en la parte hadrónica, asume que la partícula inicial era un hadrón y mide la energía agregando mediciones electromagnéticas y hadrónicas (lo que debe hacerse con cuidado, porque la calibración de energía (factor de proporcionalidad entre el número de pistas) y energía de partículas incidentes) es generalmente diferente para electrones y hadrones, incluso en el mismo calorímetro.

Fundamentalmente, los calorímetros electromagnéticos y hadrónicos no funcionan de manera muy diferente. Su objetivo es recolectar la energía que hace en ellos.

El papel del calorímetro electromagnético es obtener la energía en fotones y electrones. Estas partículas, debido a su peso ligero y sección transversal electromagnética, interactúan mucho a través de los electrones en los átomos. Son llevados a descansar rápidamente. Por lo general, obtiene una segmentación más fina en el calorímetro electromagnético para que pueda reconstruir la dirección con mayor precisión (útil para cosas como medir la masa invariante de una resonancia dipotónica).

El papel del calorímetro hadrónico es tratar de detener todo y capturar toda la energía del evento. Esto tiene lugar después del calorímetro electromagnético. Entonces captura piones, protones, neutrones, kaones. Estas partículas interactúan con la fuerza fuerte y tienen una masa más sustancial. Golpean los núcleos y causan pequeñas lluvias de hadrones. Los hadrones son típicamente partes de chorros, por lo que es difícil obtener una noción muy precisa de su dirección, como tal, la segmentación tiende a ser más gruesa que el calorímetro electromagnético.

Entonces podría eliminar el calorímetro electromagnético y usar el calorímetro hadrónico para medir electrones y fotones. no sería tan bueno, pero funcionaría. Del mismo modo, podría hacer un calorímetro electromagnético muy profundo (probablemente de 6 a 10 veces más profundo) y eliminar el calorímetro hadrónico. Esto sería costoso con muy poca ganancia en la precisión de la medición, pero de lo contrario estaría bien.

Lo único que atraviesa el calorímetro hadrónico son los muones y los neutrinos. Los muones pasan porque no interactúan fuertemente, pero son más pesados ​​que los electrones, por lo que no se ralentizan efectivamente al pasar a través de la materia. Los neutrinos básicamente no interactúan con nada (por neutrino). Hay detectores de muones que miden la dirección de los muones salientes más allá del calorímetro hadrónico para que la energía se mida bien, incluso si no está contenida dentro del detector.

Ambos tipos de calorímetros tienen una estructura similar, la principal diferencia está en el material utilizado además de los centelleadores que recogen la luz. En el calorímetro hadrónico, las placas están hechas de hierro (sección transversal de alta interacción hadrón-hierro), mientras que en el caso del calorímetro electromagnético se utiliza plomo para el cual la llamada longitud de conversión es relativamente pequeña. Aquí se pueden encontrar algunos detalles técnicos LHCb: gran experimento de belleza del colisionador de hadrones El objetivo de los calorímetros es medir la energía total de las partículas que explotan también la forma de la ducha para diferenciarlas. Además, la medición del momento de partículas cargadas (a partir de la curvatura de la pista obtenida de un detector visual colocado antes del calorímetro) ayuda a distinguir los diferentes tipos de partículas.