¿Deja un fotón huella en un rastreador de silicio?

Question

Tengo esta imagen del Detector ATLAS.

En gris se puede ver el Si Tracker de ATLAS, en verde el Callorímetro Electromagnético. En rojo está el Callorímetro de Hadrones y en azul el Telescopio de muones.

Se supone que esos dos rastros son elecrtrones. Mi pregunta es, ¿por qué no pueden ser fotones? Los físicos nucleares utilizan detectores de Si para la espectroscopia de rayos gamma, lo que significa que pueden detectar fotones con ellos.

Sólo para que conste, hay un corte en el momento transversal, de 10GeV...

¿Alguna idea de por qué rechazar que esas partículas sean fotones?

Answer 1

Como notas de zhermes Los fotones activan los detectores de radiación ionizante (de todo tipo, no sólo de silicio) al generar partículas cargadas.

Los procesos por los que esto ocurre son principalmente la dispersión de electrones y, a energías suficientemente altas, la producción de pares. En menor medida, también contribuye la dispersión de los núcleos. Como siempre, una buena referencia es el capítulo sobre "El paso de las partículas a través de la materia" (enlace PDF) en el Libro de datos de partículas . La sección transversal para varios procesos se muestra en la figura 30.15 del AP de 2012 (el número de la figura cambia ocasionalmente, pero la figura ha estado ahí durante mucho tiempo)

Podrías pensar que esto haría que distinguir los electrones y los fotones fuera un reto -especialmente porque ambos generarán una cascada electromagnética a partir de ahí- y estarías en lo cierto. Sin embargo, si

• tiene una alta resolución espacial y energética
• la energía de la pista es lo suficientemente alta como para que la sección transversal de los fotones esté dominada por la producción de pares (unos pocos MeV y más)

entonces se puede distinguir con razonable certeza. Se observa la deposición de energía en los primeros $\text{g cm}^{-2}$ de la pista (menos de una longitud de radiación); la mayoría de los electrones tendrán una deposición de energía en torno a 1 partícula ionizante mínima (MIP) en ese rango, mientras que la mayoría de los fotones exhiben 2 MIP (porque la primera interacción fue probablemente una producción de pares).

Si tu resolución espacial es lo suficientemente buena y tu detector lo suficientemente difuso, también podrás ver la separación entre el vértice y el inicio de la cascada de fotones, pero esto es difícil en muchos detectores. Respuesta de Anna v sugiere que esta es la principal etiqueta de fotones para ATLAS.

Creo haber oído en una charla que ATLAS también utiliza algunos parámetros geométricos de la ducha en la ECAL para ayudar con el PID entre electrones y fotones, pero no puedo proporcionar ninguna referencia. No estoy haciendo esos grandes detectores compuestos ahora mismo y no me he mantenido al tanto de los detalles.

Answer 2

Esto es lo que es un rastreador de silicio en los detectores de partículas:

La mayoría de los detectores de partículas de silicio] 1 funcionan, en principio, dopando tiras estrechas (normalmente de unos 100 micrómetros de ancho) de silicio para convertirlas en diodos, que luego se polarizan en sentido inverso. Cuando las partículas cargadas atraviesan estas tiras, provocan pequeñas corrientes de ionización que pueden detectarse y medirse. La disposición de miles de estos detectores en torno a un punto de colisión en un acelerador de partículas puede dar una imagen precisa de las trayectorias que siguen las partículas. Los detectores de silicio tienen una resolución mucho mayor en el seguimiento de las partículas cargadas que las tecnologías más antiguas, como las cámaras de nubes o las cámaras de cables. El inconveniente es que los detectores de silicio son mucho más caros que estas tecnologías más antiguas y requieren una refrigeración sofisticada para reducir las corrientes de fuga (fuente de ruido), además de sufrir una degradación con el tiempo debido a la radiación.

Así que las pistas que se ven son una acumulación de puntos medidos en tiras de diodos de silicio. Tiras porque la pista cargada debe ser perturbada lo menos posible. La interacción de la partícula cargada con la materia ioniza aunque la distancia recorrida sea de micras, porque la ionización es una interacción de baja energía del campo de la partícula cargada, por lo que se puede registrar un punto de la pista. Un fotón es neutro y la única forma en que podría ionizarse sería con una colisión frontal con los electrones de los átomos del silicio, y lo más probable es que se produjera una producción de pares, y esto se ve a veces. Pero no se puede utilizar como detector de fotones.

Un rastreador y un detector de fotones tienen prescripciones contradictorias. El fotón necesita mucha masa para materializarse y crear una cascada que mida su energía, y eso ocurre en el electromagnético Calorímetros de los detectores, en este caso Atlas. Ellos tienen un material de argón líquido para detectar las cascadas de carga generadas por los fotones de alta energía. El CMS tiene cristales densos para este fin.

Hay que tener en cuenta que las huellas cargadas también se detectan en los calorímetros electromagnéticos pero se pueden separar de los fotones porque las huellas se miden en el rastreador y los fotones empiezan a verse en el centro del calorímetro ( no en el borde).

En conclusión, no , las pistas que muestran tienen que ser cargadas.

Answer 3

Para responder a la pregunta del título: sí ---un fotón puede dejar una firma en un detector de silicio, siempre y cuando sean lo suficientemente energéticos para ser ionizante .

En cuanto a la imagen anterior: No creo que se pueda decir, sólo por esta imagen, si la partícula es o no un fotón o un electrón. La razón por la que los detectores de estos dispositivos son tan complejos, es porque se necesitan muchos datos para determinar exactamente lo que está pasando. Esperemos que un físico de partículas nos diga qué tipo de características son necesarias para distinguir entre electrones y fotones.