링이미징 체렌코프 검출기

링-이미징 체렌코프(RICH) 검출기는 알려진 운동량의 전기 충전 아원자 입자의 유형을 식별하기 위한 장치로, 이 검출기는 그 통과 동안에 방출되는 체렌코프 방사선의 존재와 특성을 측정하여 투명한 굴절 매체를 통과한다.RICH 검출기는 1980년대에 처음 개발되었으며 고에너지 기초 입자, 핵 및 천체 물리학 실험에 사용된다.

이 기사는 현대 물리학 실험에서 다양한 형태에 대한 간단한 예와 함께 RICH 검출기의 기원과 원리를 개략적으로 설명한다.

링-이미징 체렌코프(RICH) 검출기

오리진스

링 이미지 검출 기법은 1977년 CERN에서 일하는 자크 세기노트와 톰 입실란티스가 처음 제안했다.^[1]이들의 연구 개발은 CERN의 오메가 시설과^[5]^[6] LEP(Large Electron-Positron Collider) DELPI 실험에서 최초의 대규모 입자물리학 RICH 검출기의 설계^[2]^[3] 개발 및 시공에 기초를 두고 있다.^[7]

원칙

링-이미징 체렌코프(RICH) 검출기는 굴절률 $n$ $n$ $n$ > 1의 매체를 통과할 때 입자에 의해 방출되는 체렌코프 방사선(광자)을 검출하여 전기로 충전된 아원자 입자 유형을 식별할 수 있다. $\theta _{c}$ 은 ren c {\ $displaystyle \theta _{c$ Cherenkov 방사선의 방출 각도를 측정하여 달성되며, 이는 충전된 입자의 속도 $v$ $v$ 과 $v$ (와) 관련된다.

\cos \theta _{c}={\frac {c}{c}}

$c$ 서 c $c$ 은 $c$ 빛의 속도다.

입자의 운동량과 방향(일반적으로 연관된 운동량-분광계로부터 이용 가능)에 대한 지식은 입자 유형의 각 가설에 대해 $v$ $예측$ v $v$ 을(를) 허용한다. RICH 라디에이터의 $n$ n $n$ 을(를) 사용하면 $\theta _{c}$ c ${\$ th $\theta _{c}$ )에 상응하는 예측을 제공한다.at c {\displaystyle $\theta _{c}$ \theta_ ${c}$ 와 비교될 수 있으므로, 검출된 체렌코프 광자의 $\theta _{c}$ $\theta _{c}$ ${\$ \ $theta$ _{c}와 비교할 수 있으며, 따라서 입자의 정체성(일반적으로 입자 유형별 확률)을 나타낸다.기체 방열기(n~1.0005, 각도 분해능~0.6mrad)에서 생산된 단일 체렌코프 광자에 대한 $\theta _{c}$ c ${\$ 대 소스 입자의 운동량의 일반적인 $\theta _{c}$ (시뮬레이션) 분포는 다음 그림에 나와 있다.

체렌코프 각 vs 모멘텀

다른 입자 유형은 RICH 검출기의 효과적인 각도 분해능에 의해 얼룩진 상수 질량의 뚜렷한 윤곽을 따른다. 각 입자는 더 높은 순간마다 다수의 체렌코프 광자를 방출하며, 이 광자를 합쳐서 단일 광자보다 평균 $\theta _{c}$ $\theta _{c}$ $\theta _{c}$ ${\$ 의 더 정확한 측정치를 제공한다.g 이 예에서 100 GeV 이상으로 확장하기 위한 유효 입자 분리.이 입자 식별은 기초 입자의 구조와 상호작용에 대한 본질적 물리학의 상세한 이해를 위해 필수적이다.링-이미징 방법의 본질은 각 입자가 발산하는 체렌코프 광자를 분리할 수 있는 단일광자 검출기로 광학 시스템을 고안해 정확한 $\theta _{c}$ $\theta _{c}$ ${\$ style $\theta_{c}$ 를 파악할 수 있는 $\theta _{c}$ 단일의 '링 이미지'를 형성하는 것이다.

그 체렌코프 각도의 광자의 극좌표 기점 법 22GeV/c 입자로 n{n\displaystyle}=1.0005과 라디에이터에 관련된 아래;둘 다 파이온과 케이온, 양자 체렌코프 한계치 아래에서, 댁/nv1{\displaystyle c/nv> 1}, 이 사건에서 또한 아주 명확해 질것은 방사능을 생산 중이다 설명된다 보여진다.레테르를 붙이시오입자형=양성자의 나는 기분, 이후 광자의 수 변동, 예를 들어 확률이다. 22GeV/c 케이온 때 ~12한 것으로 알려졌다 0광자를 생산하는 매우 작은 예상을 의미하는지 Poisson 통계도 있고 삽화 목적으로 162755에 e−12 또는 1)검색된 광자의 번호는 각 입자 형식에 나타나 있는 a얼음 $N_{c}$ $N_{c}$ ${\$ $N_{c}$ ~ 25를 갖는 RICH 유형(아래 참조)의 연령.방위각 분포는 0도에서 360도 사이에 랜덤으로 분포하며, $\theta _{c}$ c ${\$ 의 분포는 $\theta _{c}$ RMS 각도 분해능 ~ 0.6 밀리라디언으로 분포한다.

22 GeV/c 파이온 또는 카온에 의해 방출되는 체렌코프 광자

참고로 광자의 방출 지점은 라디에이터를 통해 입자의 (보통 직선) 궤도에 있는 어느 장소에 있을 수 있으므로, 떠오르는 광자는 우주에서 광자를 채운다.

RICH 검출기에서 이 광원 내의 광자는 광학 시스템을 통과하여 위치에 민감한 광자 검출기를 침범한다.적절히 초점을 맞춘 광학 시스템으로, 위와 유사한 링 재구성을 가능하게 하며, 이 링의 반지름은 체렌코프 방출 각 $\theta _{c}$ c ${\$ 를 측정한다 $\theta _{c}$ 이 방법의 해결력은 광자당 체렌코프 각도를 비교하여 설명된다. 위의 첫 번째 플롯을 참조하고, 링 이미징으로 얻은 입자당 평균 체렌코프 각(그 입자가 방출하는 모든 광자에 대해 평균)을 다음과 같이 구한다. 입자 유형 간 크게 강화된 분리는 매우 명확하다.

입자당 평균 체렌코프 각도 vs 운동량

입자 유형에 대한 다양한 가설을 성공적으로 해결하는 RICH 시스템의 이러한 능력은 두 가지 주요 요인에 따라 달라지며, 이는 나열된 하위 요인에 따라 달라진다.

광자당 유효 각도 분해능, $\sigma$ $\sigma$
- 라디에이터 내 색도 분산( $n$ $n$ 은(는) 광자 주파수에 따라 다름 $n$ )
- 광학 시스템의 이상
- 광자 검출기의 위치 분해능
링-이미지, $N_{c}$ $N_{c}$ ${\$ 에서 탐지된 최대 광자 수
- 입자가 이동하는 라디에이터의 길이
- 라디에이터 소재를 통한 광자 전송
- 광학 시스템을 통한 광자 전송
- 광자 검출기의 양자 효율

$\sigma$ $\sigma$ 은(는) RICH 검출기의 고유 광학 정밀도를 측정한 것이다 $\sigma$ . $N_{c}$ $N_{c}$ ${\$ 는 RICH의 광학적 반응에 대한 측정값으로 $N_{c}$ , 빛의 속도가 RICH 검출기의 모든 관련 입자 궤적에 대해 평균인 빛의 속도로 접근하는 입자에 의해 실제로 검출된 광자의 수를 제한하는 경우라고 생각할 수 있다.느린 입자의 경우 detected $\theta _{c}$ ${\$ $displaystyle q}($ 일반적으로 ±1) 각도에서 광자를 방출하여 q {\ $displaystyle \theta_{c}$ 의 전하 $q$ ${\$ displaysty q}를 검출한 평균 Cherenkov 광자의 수는 $\theta _{c}$ 그 다음이다.

{\dplaystyle N={\dfrac{N_{c}q^{2}\sin ^{2}(\theta_{c}){1-{\dfrac{1}{n^{2}}:}}}}}

그리고 평균 체렌코프 각도를 이 광자로 결정할 수 있는 정밀도는 대략

\sigma _{m}={\frac {\sigma }{\sqrt{N}}}

$\sigma _{m}$ ${\$ 와 비교하여 무시할 수 없는 경우, 방출 입자의 측정 방향의 각도 정밀도를 4각으로 추가해야 한다 $\sigma _{m}$

방출 입자의 알려진 운동량과 라디에이터의 굴절률을 고려할 때, 각 입자 유형에 대해 예상되는 체렌코프 각도를 예측할 수 있으며, 관측된 평균 체렌코프 각과의 차이를 계산할 수 있다.이 $\sigma _{m}$ 차이를 $\sigma _{m}$ ${\$ 로 나누면 관측치로부터 가설의 '시그마 수' 편차를 측정할 수 있는데, 이 편차는 가능한 각 가설의 확률이나 가능성을 계산하는 데 사용될 수 있다.The following figure shows the 'number of sigma' deviation of the kaon hypothesis from a true pion ring image (π not k) and of the pion hypothesis from a true kaon ring image (k not π), as a function of momentum, for a RICH with $n$ = 1.0005, $N_{c}$ = 25, $\sigma$ = 0.64 밀리라디아인,

파이온-카온 분리 니그마

또한 피온(Ngπ) 또는 카온(Ngk)에서 검출된 광자의 평균 수도 표시된다.하나는 RICH의 두 입자 유형을 분리하는 능력이 임계값과 80 GeV/c 사이의 모든 곳에서 4-시그마를 초과하여 마침내 약 100 GeV에서 3-시그마 아래로 떨어진다는 것을 알 수 있다.이 결과는 균일한 허용과 효율성, 정규 오차 분포 및 0배경을 갖는 '이상적인' 검출기에 대한 것이라는 점에 유의해야 한다.물론 그러한 검출기는 존재하지 않으며, 실제 실험에서는 그러한 영향을 설명하기 위해 훨씬 더 정교한 절차가 실제로 사용된다; 위치 의존적 허용과 효율성, 가우스 오류 분포가 아닌, 무시할 수 없고 가변적인 사건 의존적 배경.^[8]^[9]

실제로 전형적인 충돌기 실험에서 생성된 다중 입자 최종 상태의 경우 다른 최종 상태 하드론, 주로 피온과 카온의 분리가 RICH의 가장 중요한 목적이다.그런 맥락에서 신호를 극대화하고 결합 배경을 최소화하는 가장 중요한 두 가지 RICH 기능은 카온을 카온으로 정확하게 식별하는 능력과 파이온을 카온으로 잘못 식별하지 않는 능력이다.실제 데이터에서 신호 검출 및 배경 거부의 일반적인 척도인 관련 확률은 모멘텀에 따른 변동을 나타내기 위해 다음과 같이 표시된다(10% 무작위 배경을 사용한 시뮬레이션).

카온식별도

100 GeV에서 ~30% π → k 오식별 비율은 대부분 시뮬레이션 검출기에 10%의 배경 적중(광자 조작)이 존재하기 때문에 발생하며, 평균 체렌코프 각(위의 4차 그림에 표시)에서의 3-시그마 분리는 그 자체로 약 6%의 오식만을 차지한다.운용 RICE 검출기의 경우 위의 유형에 대한 보다 상세한 분석은 간행된 문헌에서 확인할 수 있다.

예를 들어, CERN LHC 연구에서 LHCb 실험은 다른 B-messon decay들 중에서 특정 공정⁰ B → ππ를⁺⁻ 결정한다.그 아래 그림과 같은 쇼, 왼쪽에, RICH 신원 확인 없이는π+π− 질량 분포, 모든 입자 π;B0과 완전히 배경에 B와 Λ가 썩kaons와 양성자와 관련된 입자 사귀지에서 조합 배경 때문에 압도당하고 있다 관심의π+π− 신호가 있는turquoise-dotted 라인 →으로 추정한다.dwiB가⁰ 쇠퇴하다.^[8]

LHCB RICH Btoππ

오른쪽에는 Pion만을 선택하고 Kaon과 양성자를 거부하기 위해 사용된 RICH 식별과 동일한 데이터가 있다. B⁰ → ππ⁺⁻ 신호는 보존되지만 모든 카온 및 양성자 관련 배경은 크게 감소하여 전체적인⁰ B 신호/백그라운드가 ~ 6 인수만큼 개선되어 붕괴 과정을 훨씬 더 정밀하게 측정할 수 있다.

RICH 유형

초점 및 근접 이미지 RICH 설계

초점 검출기와 근접 초점 검출기가 모두 사용 중이다.초점 RICH 검출기에서 광자는 초점 $길이$ f $f$ 의 구형 거울에 의해 수집되고 $f$ 초점 평면에 배치된 광자 검출기에 집중된다. $r=f\theta _{c}$ r = f $r=f\theta _{c}$ along $r=f\theta _{c}$ ${\$ 을(를) 가진 원이 입자의 궤도를 따라 방출 지점( $\theta _{c}\ll 1$ $\theta _{c}\ll 1$ $\theta _{c}\ll 1$ $\theta _{c}\ll 1$ ${\displaystyle \theta \c}\ll$ 1)과는 $\theta _{c}\ll 1$ 무관하게 된다 $r=f\theta _{c}$ $\theta _{c}\ll 1$ 이 계획은 충분한 광자를 생성하는 데 필요한 라디에이터 길이가 큰 저 굴절률 라디에이터(즉, 가스)에 적합하다.

보다 콤팩트한 근접 초점 설계에서 얇은 라디에이터 볼륨은 체렌코프 빛의 원뿔을 방출하여 작은 거리, 근접 거리를 통과하며 광자 검출기에서 검출된다.이미지는 빛의 고리인데, 그 반지름은 체렌코프 방출 각도와 근접 갭으로 정의된다.링 두께는 주로 라디에이터 두께에 의해 결정된다.근접 갭 RICH 검출기의 예로는 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)에서 5가지 실험 중 하나인 앨리스(A Large Ion Collider 실험)의 하나인 고운동량 입자 식별(HMPID)이 있다.

DIRC 검출기

DIRC(내부 반사 체렌코프 광의 검출)에서 고체 라디에이터 내부의 총체적인 내부 반사에 의해 포착되는 빛은 검출기 둘레의 조명 센서에 도달하는데, 이는 체렌코프 광원의 각도 정보를 보존하는 라디에이터의 정밀한 직사각형 단면이다.한 예는 SLAC에서 BaBar 실험의 DIRC이다.

LHCB 검출기

대형 하드론 충돌기에 대한 LHCB 실험은 피온과 카온을 구별하기 위해 두 개의 RICH 검출기를 사용한다.^[10]첫 번째(RICH-1)는 상호작용 지점 주변의 정점 로케이터(VELO) 바로 뒤에 위치하며, 낮은 순간 입자에 최적화되어 있고, 두 번째(RICH-2)는 자석과 입자 추적기 층 뒤에 위치하여 더 높은 순간 입자에 최적화되어 있다.^[8]

AMS-02

최근 국제우주정거장에 탑재된 알파 자기분광계 장치 AMS-02는 다른 장치와 결합해 RICH 검출기를 사용해 우주선을 분석한다.

참조

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[1] Seguinot, J.; Ypsilantis, T. (1977). "Photo-ionization and Cherenkov ring imaging". Nuclear Instruments and Methods. 142 (3): 377–391. Bibcode:1977NucIM.142..377S. doi:10.1016/0029-554X(77)90671-1.

[2] Williams, S. H.; Leith, D. W. G. S.; Poppe, M.; Ypsilantis, T. (1980). "An Evaluation of Detectors for a Cerenkov Ring-Imaging Chamber" (PDF). IEEE Transactions on Nuclear Science. 27 (1): 91–95. Bibcode:1980ITNS...27...91W. doi:10.1109/TNS.1980.4330809.

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[4] Glass, H.; et al. (1985). "Identification of High Transverse Momentum Hadrons With a Ring Imaging Cherenkov Counter". IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-32: 692–696.

[5] In 1972, the OMEGA spectrometer was commissioned in the West Area and more than a million collisions were recorded that very first year. 1972.

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[7] Arnold, R.; et al. (1988). "A ring imaging Cherenkov detector, the DELPHI Barrel RICH Prototype". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 270 (2–3): 255–288. Bibcode:1988NIMPA.270..255A. doi:10.1016/0168-9002(88)90695-X.

[Adinolfi-8] Adinolfi, M.; et al. (2013). "Performance of the LHCb RICH detector at the LHC". The European Physical Journal C. 73 (5): 2431. arXiv:1211.6759. Bibcode:2013EPJC...73.2431A. doi:10.1140/epjc/s10052-013-2431-9. PMC 4371097. PMID 25814859.

[9] Wilkinson, G. (2008). "In search of the rings: Approaches to Cherenkov ring finding and reconstruction in high energy physics". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 595 (1): 228–232. Bibcode:2008NIMPA.595..228W. doi:10.1016/j.nima.2008.07.066.

[10] Alves, A. A., Jr.; et al. (LHCb Collaboration) (2008). "The LHCb Detector at the LHC". Journal of Instrumentation. 3 (8): S08005. Bibcode:2008JInst...3S8005L. doi:10.1088/1748-0221/3/08/S08005. hdl:10251/54510.

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