Budowa detektora DELPHI

Budowa detektora DELPHI

Ogolne informacje
Pomiar torow i pedow czastek naladowanych
Pomiar energii
Identyfikacja czastek
Pomiar swietlnosci akceleratora
Fotografie detektora

Kliknij na rysunku

Detektor DELPHI, schematycznie przedstawiony na powyzszym rysunku, jest urzadzeniem zlozonym z kilkunastu wyspecjalizowanych detektorow pokrywajacych prawie caly kat brylowy. Calosc ma ksztalt walca o dlugosci ok. 10 m i podobnej srednicy. Mozna go podzielic na czesc centralna, tzw. beczke (ang.``barrel'') oraz dwie pokrywy, tzw. korki (ang.``end-caps''), zamykajace ja (na schemacie zaznaczony jest tylko jeden). Korki podczas modernizacji aparatury mozna odsuwac, co umozliwia dostanie sie do wnetrza detektora.

Detektor ten zostal zaprojektowany jako detektor uniwersalny (nazwa to oznacza, ze: obejmuje on prawie pelny kat brylowy, rejestruje tory czastek naladowanych i mierzy ich pedy, mierzy energie mozliwie wszystkich rodzajow czastek naladowanych i neutralnych, identyfikuje czastki w mozliwie szerokim zakresie ich pedu oraz mierzy swietlnosc akceleratora) ze szczegolnym naciskiem na identyfikacje czastek i dokladne wyznaczanie wspolrzednych wierzcholkow pierwotnych i wtornych.

Pomiar torow i pedow czastek naladowanych.

Pomiar torow odbywa sie przy pomocy detektorow sladowych umieszczonych w polu magnetycznym. Pole to jest wytwarzane przez cewke nadprzewodzaca (zaznaczona na fioletowo) dlugosci 7.4 m i wewnetrznej srednicy 5.2 m. Wartosc natezenia pola magnetycznego, w ktorym nastepuje zakrzywianie torow czastek naladowanych, wynosi 1.2 T.

W detektory sladowe wyposazona jest czesc centralna detektora, jak rowniez korki.
W czesci centralnej znajduja sie (kolejno od najbardziej wewnetrznych) :

w polu magnetycznym:

centralny krzemowy detektor wierzcholka (``Vertex Detector'') VD
- umieszczony najblizej obszaru oddzialywania (najmniejszy, slabo widoczny),
detektor wewnetrzny (``Inner Detector'') ID,
komora projekcji czasowej (``Time Projection Chamber'') TPC
detektor zewnetrzny (``Outer Detector'') OD

poza polem magnetycznym:

komory mionowe w beczce (``Barrel Muon Chamber'') BMC
- najbardziej zewnetrzne w calym detektorze.

Natomiast korki zawieraja:

w polu magnetycznym:

przedni krzemowy detektor wierzcholka (``Very Forward Tracker'') VFT
- nie zaznaczony na rysunku,
przednie komory dryfowe A (``Forward Chamber A'') FCA
przednie komory dryfowe B (``Forward Chamber B'') FCB

poza polem magnetycznym:

przednie komory mionowe (``Forward Muon Chamber'') FMC
- zewnetrzne zielone plyty.

Z wyjatkiem detektora wierzcholka, sa to roznego typu komory gazowe, w ktorych detekcja opiera sie na zjawisku jonizacji atomow gazow, przez ktore przechodzi czastka naladowana. Wszystkie te detektory, poza komorami mionowymi, sa zanurzone w polu magnetycznym.

Detektor DELPHI rejestruje z wysoka wydajnoscia ( wieksza niz 95 % ) tory o katach polarnych od 10 do 170 stopni, przy czym, na polaczeniach beczki z korkami, wydajnosc detekcji jest niska.

Pomiar energii

W detektorze DELPHI zainstalowane sa dwa rodzaje kalorymetrow : elektromagnetyczny do pomiaru energii elektronow i fotonow i hadronowy do pomiaru energii hadronow.

Kalorymetr elektromagnetyczny

W czesci centralnej, role kalorymetru elektromagnetycznego pelni komora HPC
(ang. ``High density Projection Chamber''), ktora umieszczona jest przed cewka. Pokrywa ona, w kacie polarnym obszar, od 43 do 137 stopni, przy czym dla 90 stopni pomiar energii jest utrudniony. Jest to detektor w ktorym po raz pierwszy zastosowano technike projekcji czasowej w kalorymetrii.

W korkach kalorymetrem elektromagnetycznym jest FEMC (ang. ``Forward Electro- Magnetic Calorimetr''). Umieszczony jest przy |z| = 284 cm, pokrywa katy od 8 do 35 stopni i od 145 do 172 stopni. Sklada sie z 9064 bloczkow szkla olowiowego o ksztalcie scietych piramid.

W okolicach 40 stopni pomiar energii elektromagnetycznej jest utrudniony. Jest to obszar polaczenia czesci centralnej detektora z korkami a zarazem miejsce wyprowadzenia z detektora przewodow. Dla poprawy hermetycznosci detektora zainstalowano w tym obszarze liczniki scyntylacjne (podobnie przy 90 stopniach).

Kalorymetr hadronowy

Kalorymetry hadronowe w czesci centralnej i w korkach zbudowane sa bardzo podobnie. Zelazne jarzmo magnesu podzielone jest na plyty (w czesci centralnej jest ich 20 a w korkach 19) o grubosci 5 cm, ktore sa poprzedzielane plaszczyznami komor drutowych. Mierzenie energii hadronow moze zachodzic w obszarze od 11 do 169 stopni. Komory rejestruja elektrony jonizacji wywolanej przejsciem przez nie czastek z kaskady hadronowej.

Identyfikacja czastek

Detektorami przeznaczonymi jedynie do identyfikacji, sa komory mionowe , oraz detektory RICH (detektor DELPHI jako jedyny na LEP-ie posiada te detektory):

Detektory RICH (ang.``Ring Imaging CHerenkov counters'') sa to detektory sluzace do identyfikacji hadronow. Znajduja sie zarowno w czesci centralnej (BRICH) i w korkach (FRICH). Oba posiadaja radiatory gazowy i ciekly.

BRICH umieszczony jest pomiedzy TPC a OD (1.23 m < r < 1.97 m). Dlugosc tego detektora wynosi 3.5 m i obejmuje obszar od 40 do 140 stopni. FRICH pokrywa obszar od 15 do 35 stopni i od 145 do 165 stopni. Identyfikacja za pomoca tych detektorow odbywa sie poprzez wyznaczenie kata emisji promieniowania Czerenkowa, ktory zalezy od predkosci czastek. Mierzac dodatkowo w detektorach sladowych ped, mozna wyznaczyc mase czastki. Rowniez brak sygnalu, gdy ped czastki jest nizszy od pedu progowego na zjawisko Cerenkowa, stanowi cenna informacje identyfikacyjna.

Fotony promieniowania Czerenkowa sa kierowane na komore dryfowa. Komora ta, jest wypelniona substancja czynna, ktora powoduje konwersje fotonow. Nastepnie wskutek przylozonego pola elektrycznego, elektrony dryfuja w kierunku komor proporcjonalnych, gdzie sa rejestrowane i na podstawie czasu dryfu ustala sie pozycje padajacych fotonow. Minimalne wartosci pedu, dla ktorych pojawia sie sygnal w BRICH-u wynosza: w czesci cieklej, dla Pi,K i p odpowiednio 0.7, 0.7 i 1.5 GeV/c, a w czesci gazowej 3, 9 i 15 GeV/c. W czesci centralnej mozna dobrze rozroznic miedzy Pi a K do pedu 18 GeV/c, a miedzy K a p do 33 GeV/c.

Zelazo z kalorymetru hadronowego jest doskonalym filtrem oddzielajacym hadrony od mionow. Prawie wszystkie hadrony sa zatrzymywane w tym materiale, w przeciwienstwie do mionow, ktore ze wzgledu na slabe oddzialywanie z materia, docieraja do komor mionowych (najbardzie zewnetrzne czesci detektora). Komory mionowe znajduja sie zarowno w czesci centralnej (BMC) , jak i w korkach (FMC) . Pokrywaja one nastepujace katy polarne:

BMC od 53.0 do 88.5 stopnia i od 91.5 do 127.0 stopni,
FMC od 20.0 do 42.0 stopni i od 138.0 do 160.0 stopni.

W LEP2 dla poprawy hermetycznosci dodano jeszcze trzeci rodzaj komor mionowych:
SMC (ang.``Surrounding Muon Chambers'')

Ze wzgledu na sposob oddzialywania z materia, identyfikacje czastek mozna podzielic na trzy grupy:

Pomiar swietlnosci akceleratora.

W LEP-ie pomiar swietlnosci opiera sie na pomiarze elastycznego rozpraszania e⁺e^- pod malymi katami (rozpraszanie Bhabha). Proces ten idealnie nadaje sie do badania swietlnosci tego typu akceleratorow, poniewaz zachodzi z duzym przekrojem czynnym i jest dobrze opisywany teoretycznie.

Detektory do pomiaru swietlnosci skladaja sie z czesci sluzacej do rejestracji torow i z czesci kalorymetrycznej do pomiaru energii. Umieszczone sa w duzej odleglosci od miejsca oddzialywania, ale tuz przy rurze akceleratora (w rozpraszanie Bhabha elektron i pozyton sa tylko nieznacznie odchylane od pierwotnego kierunku).

W detektorze DELPHI do pomiaru swietlnosci sluza dwa detektory:

STIC (''Small angle TIle Calorimeter''),
- na rysunku 2 niebieskie walce tuz przy rurze, poza struktura czesci, centralnej
- umieszczony jest w odleglosci 220 cm od punktu oddzialywania,
- promien wewnetrzny tego detektora wynosi 6.5 cm, a zewnetrzny 42 cm,
- pokrywa katy polarne od okolo 1.5 do 10.5 stopnia.
VSAT (''Very Small Angle Tagger''),
- na rysunku maly zielony punkt na koncu prawego obciecia rury,
- sklada sie z 4 kalorymetrycznych modulow,
- kazdy taki modul sklada sie z 12 krzemowych diod,
- pokrywa katy polarne od okolo 0.3 do 0.4 stopnia.