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.
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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.