Kalorymetry

Zadaniem układu kalorymetrów w eksperymencie LHCb jest identyfikacja elektronów, kwantów ɣ i hadronów oraz pomiar ich energii. Do tego celu zbudowane zostaną trzy detektory: wstępny detektor lawin (PS/SPD), kalorymetr elektromagnetyczny i kalorymetr hadronowy (Rys.1). Podstawowym wymaganiem jest tu krótki czas odczytu danych. Informacja o pędzie poprzecznym zidentyfikowanego kwantu ɣ, elektronu lub hadronu musi być przekazana do pierwszego poziomu trygera w czasie krótszym niż 25 ns.


Rys.1

Rys.2

Zasada identyfikacji tych cząstek przedstawiona jest na Rys.2. Elektron i kwant ɣ, wywołując lawinę elektromagnetyczną wtórnych fotonów, elektronów i pozytonów, deponują duże ilości energii w PS/SPD i kalorymetrze elektromagnetycznym. Elektrony od kwantówɣ odróżnia obecność sygnału w pierwszej warstwie scyntylatora w PS/SPD świadcząca o przejściu cząstki naładowanej. Hadrony wywołują lawinę wtórnych cząstek dopiero w ustawionym na końcu kalorymetrze hadronowym. Jedynie miony przechodzą przez te wszystkie detektory bez oddziaływania.

Wstępny detektor lawin zbudowany jest z warstwy ołowiu o grubości 2 dróg radiacyjnych (2X0), obłożonej z dwóch stron płaszczyznami 6000 płytek scyntylatora o rozmiarach 4 cm x 12 cm (Rys.3). Światło emitowane w płytce scyntylatora przekazywane jest przez zatopione w niej włókno optyczne do wielokanałowego fotopowielacza. Symulacje pokazały, że taki prosty, zbudowany dla potrzeb trygera układ jest w stanie odrzucić 92% mezonów π, zachowując 95% elektronów.


Rys.3

Rys.4

Informacje te są uzupełniane przez dokładniejszy pomiar w kalorymetrze elektromagnetycznym (Rys.4). W każdym module kalorymetru (Rys.5 przedstawia jego przekrój poprzeczny) 66 warstw 2 mm płytek ołowiu i 4mm płytek scyntylatora nadzianych jest jak szaszłyk na włókna optyczne, służące do zbierania światła ze scyntylatorów i przekazywania go do fotopowielaczy. Dokładność pomiaru energii elektronów i fotonów zależy od energii cząstek, a względną niepewność można sparametryzować przez ∂E/E=10%/sqrt(E(GeV))±1% . Dokładny pomiar energii fotonów ɣ ważny jest przy rekonstrukcji takich rozpadów, jak B0d→ ρ+π → π0π+π, gdzie π0 rozpada się na dwa fotony ɣ. Symulacje pokazują, że masa mezonu π0 zmierzona będzie w kalorymetrze z dokładnością ok. 6 MeV/c2, a masa mezonu B0s zrekonstruowana z rozpadu ρπ z dokładnością ok. 35 MeV/c2. Dokładne pomiary mas pozwalają na lepsze wydzielenie sygnału z tła.
Kalorymetr hadronowy składa się z na przemian ułożonych płytek scyntylatora (4mm) i żelaza (6mm), ustawionych tym razem równolegle do wiązki (Rys.6). Szybki odczyt sygnału odbywa się tu również za pomocą włókien optycznych.


Rys.5

Rys.6