Detektory Czerenkowa

Identyfikacja mezonów π i K w różnorodnych rozpadach mezonów pięknych jest podstawowym wymaganiem dla eksperymentu badającego łamanie parzystości CP. Na przykład, bardzo ważne pomiary asymetrii CP w rozpadach B0d→ π+π wymagają odrzucenia tła od dwuciałowych rozpadów o takiej samej topologii: B0d→ K+π, B0s→ Kπ+ i B0d→ K+K (Rys.1). Tylko dobra identyfikacja cząstek pozwala wydzielić przypadki szukanego rozpadu (Rys.2). Jeszcze wyraźniej można pokazać to na przykładzie rozpadu B0s→ DSK, gdzie pochodzące od rozpadów B0s→ DSπ tło jest ok. 15 razy liczniejsze (Rys.3 i Rys.4). Analiza takich rozpadów jest niemożliwa bez efektywnego rozróżnienia mezonów π i K.


Rys.1

Rys.2

Oscylacyjne przejścia między stanami neutralnych mezonów B i anty-B sprawiają, że równie ważna jest identyfikacja kaonów z rozpadów drugiego mezonu z pary produkowanych cząstek pięknych. Służy ona tu do tzw. znakowania, czyli określenia, czy badana pierwsza cząstka w momencie produkcji była mezonem B0, czy anty-B0. Można to zrobić, identyfikując kaony z rozpadów kaskadowych b → c → s (lub anty-b → anty-c → anty-s), w których kwark piękny przechodzi w kwark powabny, a następnie w dziwny. Ładunek utworzonego na tej drodze mezonu K(anty-u s) lub K+(u anty-s) zależy od ładunku początkowego kwarka: b → K, a anty-b → K+.


Rys.3

Rys.4

Produkty rozpadów dwuciałowych to zwykle cząstki szybkie, natomiast w rozpadach wielociałowych i kaskadowych produkowane są cząstki o małych pędach. Wynika stąd potrzeba identyfikacji cząstek w dużym zakresie pędów – w eksperymencie LHCb od ok. 1 GeV/c do 150 GeV/c.

Jedyna technika identyfikacji cząstek, która obejmuje tak duży zakres pędów to detekcja pierścieni promieniowania Czerenkowa wytworzonego przez przejście naładowanej cząstki przez różne ośrodki emitujące fotony promieniowania (Rys.5).


Rys.5

Kąt emisji tych fotonów θ mierzony względem toru cząstki zależy od jej prędkości v oraz współczynnika załamania światła w ośrodku n: cosθ = c/vn, i wyznaczany jest przez pomiar promienia okręgu, na którym układają się fotony zogniskowane na płaszczyźnie z elementami detektora. Stąd pochodzi angielska nazwa tych detektorów: Ring Imaging Cherenkov Counters (RICH). Wyznaczenie prędkości cząstki przy znajomości jej pędu prowadzi do wyznaczenia masy, czyli jednoznacznej identyfikacji cząstki. Niestety, w miarę jak prędkości cząstek v zbliżają się do prędkości granicznej w danym ośrodku c/n, promienie okręgów pochodzące od cząstek o różnej masie zbliżają się do wspólnej wartości granicznej i identyfikacja staje się niemożliwa. Z tego powodu w eksperymencie LHCb budowane są dwa detektory promieniowania Czerenkowa z trzema ośrodkami o różnych współczynnikach załamania. Przeźroczysta pianka krzemowa (aerożel) z najwyższym współczynnikiem załamania n = 1,03 będzie służyć do odróżniania najwolniejszych cząstek, a dwa detektory gazowe wypełnione fluorkami węgla C4F10 z n = 1,0014 i CF4 z n = 1,0005 – do identyfikacji coraz szybszych cząstek.

Płaszczyzny detektorów fotonów promieniowania Czerenkowa dla RICH1 (Rys.6) i RICH2 (Rys.7) pokrywają powierzchnię 2,6 m2.


Rys.6

Rys.7

Dla dokładnego pomiaru promieni okręgów, na których układają się fotony, rozdzielczość pomiaru położenia fotonu na płaszczyźnie detektora powinna wynosić 2,5mm x 2,5mm. Wymagania takie spełniają hybrydowe fotodiody przedstawione na Rys.8. Okienko fotokatody ma średnicę 83 mm. Aby pokryć całkowitą powierzchnię 2,6 m2, potrzeba 168 takich detektorów dla RICH1 i 262 dla RICH2 (Rys.9). Fotoelektrony wybite z fotokatody przez padający foton przyspieszane są w polu 20 kV i ogniskowane przez układ elektrod.


Rys.8

Rys.9

Pięciokrotnie zmniejszony obraz fotokatody otrzymywany jest na powierzchni płytki składającej się z macierzy 1024 elementów (pikseli) – diod krzemowych o rozmiarach 0,5mm x 0,5mm. Układ scalony służący do odczytu z tych 1024 pikseli umieszczony jest tuż pod płytą detektora (Rys.10). Połączenia poszczególnych elementów macierzy detektora z macierzą odpowiednich kanałów odczytu wykonane są za pomocą techniki, używającej mikroskopijnych kropelek indu.


Rys.10

Rys.11

Dla sprostania założeniom teoretycznym dotyczącym kąta bryłowego, przy którym następują badane rozpady detektor RICH1 jest umieszczony bezpośrednio za detektorem wierzchołka (Rys.11). W takim przypadku kąt bryłowy jaki obejmuje RICH1 to ±300 mrad w poziomie i ±250 mrad w pionie.
Detektor RICH2 znajduje się około 10 m za detektorem wierzchołka i obejmuje kąty ±120 mrad w poziomie i ±100 mrad w pionie.