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Novas tendências em calorimetria

quarta-feira, 6 jul 2011; \27\UTC\UTC\k 27 Deixe um comentário Go to comments

A maioria dos meus colegas físicos são fascinados por telescópicos. Eu acho que até quem não é físico gosta de telescópicos. Telescópicos são legais, sem dúvida, mas eu acho que eles nem chegam perto de quão legais são calorímetros. Infelizmente, calorímetros amadores não é algo tão fácil quanto telescópios amadores.😛

Recentemente, em Chicago, teve uma conferência sobre instrumentação científica em que várias novidades foram apresentadas e, em particular, várias novas tendências sobre calorimetria. Você pode ver o conteúdo dessa conferência abaixo:

TIPP 2011 – 2nd International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics (8-14 June 2011 Chicago)

Três novas idéias foram discutidas repetidamente, apresentação atrás de apresentação, slide atrás de slide, e parecem ser as direções para esse campo. Mas antes de começar, eu queria colocar uma daquelas citações que mostra como prever o futuro é difícil.

All calorimeter systems of this type [homogeneous] (…) are optimized for the detection of electromagnetic showers. (…) there is no particular advantage in using these expensive detectors for the detection of hadrons or jets, on the contrary.

— R. Wigmans, Calorimetry: Energy Measurement in Particle Physics, seção 5.2, pág 298

Sobre a necessidade, um calorímetro desse tipo é inútil até que um experimento resolve achar um bump inesperado na massa invariante de jatos. Mas é claro que o Wigmans não é bobo, pelo contrário, ele tinha em mente os problemas de não-compensação, energia “invisível” típica de chuveiros hadrônicos, e a dificuldade de evitar vazamentos em jatos quando se usa calorímetros homogêneos. São esses desafios que as pessoas estão tentando evitar com três técnicas básicas.

Dual readout

Tradicionalmente, calorímetros tem um sistema de readout: seja luz de cintilação, seja carga de ionização ou qualquer outro fenômeno físico conveniente. O problema é que calorímetros com apenas um tipo de readout tem que ter o sinal compensado por construção, é impossível fazer qualquer tipo de correção offline.

Eu acho que a primeira colaboração a fazer um calorímetro com dois readouts foi a DREAM (mas provavelmente eu estou errado). O projeto deles era de um calorímetro de amostragem de cobre com fibras ópticas como elemento sensível que apresentam tanto cintilação quanto são transparentes para radiação Cerenkov. Ambos sinais são lidos separadamente e, como a fração e/h é diferente para cara tipo de readout, é possível fazer uma correção, evento a evento, da energia perdida e tornar o calorímetro compensante offline.

Em testes com esse conceito, consegue-se resoluções da ordem de grandeza de 15\%/\sqrt{E} para jatos, enquanto nos calorímetros em operações hoje em dia esse número fica em torno de 100\%/\sqrt{E}. O principal problema desse tipo de construção é como separar a componente de Cerenkov e a componente de cintilação. Felizmente, essas radiações são muito diferentes e várias técnicas são usadas:

  • Tempo: radiação Cerenkov é emitida quase que imediatamente, enquanto que cintilação demora o tempo típico de desexcitação do material, algo como 1-100\, ns.
  • Direção: radiação Cerenkov é fortemente direcional, no formato bem conhecido de um cone, enquando cintilização não.
  • Espectro: A radiação Cerenkov tem um espectro universal que para frequências típicas se comporta como 1/\lambda^2 enquanto a frequência de cintilação depende do material.
  • Polarização: A radiação Cerenkov é polarizada (normal ao cone), enquanto cintilação não é polarizada.

Essas variáveis podem ser ajustadas para ter sinais equiparáveis (tem várias palestras que também falam de novos cristais para calorimetria, vale a pena). Há projetos que se aventuram inclusive a fazer um triple readout, lendo o sinal dos nêutrons, que é extremamente lento pois eles precisam termalizar, separadamente para poder fazer uma correção mais fina ainda.

Razão C(Cerenkov)/S(cintilação) para diferentes partículas em função da energia visível S(cintilação)/B(energia). Esses valores são usados para fazer compensação, melhorando a resolução, e para corrigir a resposta evento a evento, tornando o calorímetro linear.

Absorção total

Não havendo o problema da não-compensação quando se consegue fazer (pelo menos) dual readout, algumas colaborações propuseram calorímetros hadrônicos homogêneos. Duas colaborações apresentaram trabalhos desse tipo: a ADRIANO e o grupo da Universidade de Shinshu. Elas se baseiam na mesma idéia: fazer um calorímetro semi-homogêneo. A idéia é ter algum vidro pesado que sirva tanto para leitura do sinal Cerenkov por ser transparente, quanto material de absorção para fibras que seriam lidas por cintilação.

Isso resolve imediatamente o problema acima pois as duas componentes se tornam opticamente isoladas. Se algum dia um calorímetro desse tipo vier realmente a ser construído, será sem dúvida o projeto mais avançado nesse campo em termos de resolução de energia. E esse é um problema, não? Calorímetros de verdade costumam demorar uns 20 anos para serem construídos e daí são operados por mais uns 20 anos. Qual a resolução de energia que você vai precisar para estudar as coisas daqui a 40 anos? Qual será o bump de 2050?

Os resultados de testes e simulações são excelentes. Essas colaborações conseguem projetar sistemas de calorimetria cuja resolução parece ser limitada apenas por vazamento! Além disso, nesse tipo de calorímetro você não necessariamente precisa de um calorímetro eletromagnético na frente, já que o sinal pode ser lido na parte Cerenkov do detector com boa resolução. A eficiência de separação de chuveiros hadrônicos e eletromagnéticos é de acima de 99\%, nas simulações feitas, com uma taxa de fakes abaixo de 3\%.

O principal problemas desse tipo de construção é a ausência de segmentação longitudinal, que é o ponto forte da terceira proposta.

Calorimetria digital

A idéia é usar o algorítimo de particle flow, que já comentei aqui no blog, para fazer calorimetria hadrônica. Uma colaboração liderada por ANL, FNAL e CALICE apresentou seu protótipo usando pixels de RPC. Esse tipo de técnica necessita de um bom tracker e calorímetro eletromagnético antes do calorímetro hadrônico, já que eles serão responsáveis por medir todas as partículas carregadas e fótons do chuveiro hadrônico, respectivamente.

A colaboração do CALICE já vem testando a algum tempo calorímetros super segmentados onde é possível identificar as partículas individuais dos chuveiros e daí separar aquelas que devem ser medidas em outros detectores. Contudo, em cada pixel, a energia é medida da forma tradicional, pela amplitude de algum sinal físico. A idéia de um calorímetro digital é contar apenas o número de pixels com sinal e, pelo que entendo, com alta granularidade, essa quantidade é proporcional a energia da partícula que gerou o chuveiro. Esse tipo de proposta certamente facilita a eletrônica de readout, mas dificulta bastante o algorítimo de análise de dados.

Várias tecnologias para os pixels foram apresentadas em diversas da conferências, todas baseadas em detectores gasos (RPC, GEM, Micromegas). Na apresentações, eles afirmam poderem obter resoluções da ordem de 30\% / \sqrt{E} se a resolução de partículas neutras for da ordem de 15\% / \sqrt{E}, enquanto os calorímetros atuais tem uma resolução para partículas hadrônicas isoladas em torno de 50\% / \sqrt{E}.

Como já discutimos aqui, essa é uma proposta bem diferente que faz verdadeiramente um calorímetro de imagem e dá informações muito detalhadas sobre a forma do chuveiro.

Um hádron neutro sendo detectado por um calorimetro de imagem que usa a técnica de particle flow para medir a energia.

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