Методи ідентифікації частинок експериментальної фізики високих енергій

Добрецов Ю.П. Методи ідентифікації частинок експериментальної фізики високих енергій. Конспект лекцій. М: МІФІ, 2000. 68 с.

Книга є конспектом лекцій, що входять до курсу ”Сучасний експеримент на прискорювачі”. Розглядаються фізичні основи, сфери застосування та практична реалізація різних методів ідентифікації частинок.

Призначається для студентів старших курсів МІФІ, що спеціалізуються у галузі експериментальної фізики.

Рецензент: д.ф.-м.н., проф. В.А.Григор'єв

Рекомендовано редсовом МІФІ

як навчальний посібник

(технічний університет), 2000

ISBN 5 - 7262 - 0326 - 7

Зміст

Методи ідентифікації частинок мас. 7

1. Ідентифікація частинок з пробігу. 8

2. Ідентифікація частинок з іонізаційних втрат. 11

3. Ідентифікація частинок часу прольоту. 13

4. Ідентифікація частинок по черенківському

5. Спектрометри повного поглинання (калориметри). 23

6. Ідентифікація частинок з перехідного випромінювання. 42

7. Ідентифікація частинок по синхротронному

8. Кінематичні методи ідентифікації частинок. 54

9. Ідентифікація частинок за часом життя частки.

10. Сепаратори частинок мас. 62

Методи ідентифікації частинок мас

За наслідками процесу ідентифікації на частку методи ідентифікації можна поділити на два класи:

1) у процесі ідентифікації частка "зникає" - зупиняється або розпадається;

2) ідентифікація частки провадиться при прольоті її через ідентифікатор без зупинки в ньому.

В останньому випадку є можливість фіксації типу частки для дослідження взаємодій за її участю.

В даний час практично використовуютьсятакі методи ідентифікації частинок.

1. Ідентифікація з пробігу зарядженої частки.

2. Ідентифікація з іонізаційних втрат.

3. Ідентифікація за часом прольоту.

4. Ідентифікація з черенківського випромінювання.

5. Ідентифікація за допомогою калориметрів.

6. Ідентифікація з перехідного випромінювання.

7. Ідентифікація із синхротронного випромінювання.

8. Кінематичні методи ідентифікації.

9. Ідентифікація за часом життя частки.

10. Сепаратори частинок за масами (високочастотний та електростатичний).

Вибір методу чи комбінації методів залежить від властивостей частинок (заряд, час життя, типи взаємодій з речовиною), їх енергій та необхідного ступеня поділу (пригнічення, редекції) часток різних мас.

1. Ідентифікація частинок з пробігів

Метод застосовний для нерелятивістського випадку. Для поділу змішаного по частинках різної маси пучка по пробігах необхідно попередньо монохроматизувати частинки імпульсівPc. Для цього використовується магніт із поперечним пучком магнітним полем.

Для нерелятивістського випадку можемо записати для іонізаційних втрат енергії

. (1.1)

У нерелятивістському випадкуdE=dP2/2m. Інтегруючи (1.1), маємо

.

Таким чином, для пучка монохроматизованих за імпульсом часток різних мас маємо

Якщо, наприклад, пучок містить мюони, півонії і протони, їх пробіги співвідносяться наступним чином (в одиницях пробігу мюонаR):

Як бачимо, пробіги сильно різняться за величиною. Ступінь поділу частинок залежить від величини P/P, обумовленої параметрами магніту, що відхиляє (напруженістю магнітного поля і довжиною полюсів) і апертурою вихідного коліматора. Для адронівнаведені тут міркування вірні у разіRx, або диференціальнуN2(x) - число зупинок частинок у мішені.

Тригером зупинки служить сигнал зі схеми ССА, входи збігів якої подаються сигнали з лічильників 1, 2, 3, але вхід "анти" - сигнал з 4-го лічильника. Логіка такого тригера записується так:

. Чорта зверху говорить, що сигнал з даного детектора включений в антизбіг з лічильниками без межі. Для виключення впливу нестабільності інтенсивності пучка прискорювача в часіN(x) вимірювання проводяться не на час, а на задане числоMзбігів лічильників 1 і 2, яке не залежить відx. Такого типу системи, рахунок яких залежить від маніпуляцій в експериментальній установці, називають моніторами пучка. В результаті вимірів одержують залежність типу наведеної на рис.1.2. Слід зазначити, що у разі присутності в пучкуe -лептонів навіть за хорошого P/Pвідокремитися від них таким методом неможливо. Це пов'язано з великим (порівняним із самим пробігом) розкидом (страглінгом) пробігівe -лептонів, обумовленим їх гальмівним випромінюванням.

При великих енергіях заряджених частинок за допомогою сповільнювача можна відокремити лише мюони. При проходженні через речовину мюон втрачає енергію тільки на іонізацію (E/x1,5 МеВ/гсм 2 ), що відповідає 1,5 ГеВ на метр шляху у залозі. Товщина фільтраxповинна бути, з одного боку, меншою за пробіг мюона, а, з іншого боку,x>>яд,x0, де  отрут 100 г/см 2 - довжина ядерної взаємодії адронів,x010 г/см 2 - радіаційна довжина.

---