Детектор ALICE видит собственное строение в жестких гамма-лучах

Рис. 1. Схема конверсии фотона в электрон-позитронную пару при пролете сквозь вещество детектора

Любопытная особенность многих современных детекторов элементарных частиц — их способность к своего рода «самодиагностике». Благодаря аккуратному измерению характеристик частиц, которые рождаются в столкновениях протонов и последовательно проходят через несколько слоев детектора, можно буквально увидеть распределение и плотность вещества, из которого сделан тот или иной слой. Получается своеобразный трехмерный «рентгеновский снимок» детектора, сделанный самим детектором, но только, конечно, не в рентгеновских лучах, а с помощью частиц более высокой энергии.

Отличный пример такой «самодиагностики» детектора ALICE приведен в заметке в последнем выпуске журнала CERN Courier.

Этот детектор создан, прежде всего, для изучения ядерных столкновений и сконструирован несколько иначе, чем универсальные детекторы ATLAS и CMS. Его центральная часть вовсе не забита кристаллами, металлом и полупроводниками; она содержит большую (объемом 88 м³) цилиндрическую время-проекционную камеру, заполненную газом, плюс очень небольшое количество твердых материалов (электроника, поддерживающие структуры и самая внутренняя часть детектора).

Представим себе фотон небольшой (по меркам физики элементарных частиц) энергии, который родился в протонных столкновениях в самом центре цилиндрической трубы и вылетает куда-то вбок. На своем пути он натыкается на молекулы вещества, как в твердом материале, так и в газовой камере. Он, конечно, может их просто проигнорировать, но может также и не выжить, превратившись в момент столкновения в электрон-позитронную пару. Ясно, что чем больше локальная плотность вещества, тем более вероятным будет такое превращение в этом месте.

Внутренняя часть детектора про фотон ничего не узнает — он нейтральный и никаких следов не оставляет. Но она прекрасно увидит электрон и позитрон, которые разлетаются из той самой точки, где фотон столкнулся с атомом (см. рис. 1). Их траекторию детектор измеряет очень хорошо, а значит, может с высокой точностью восстановить точку конверсии фотона в электрон-позитронную пару. А поскольку фотонов в ходе работы ускорителя рождается превеликое множество, то, набрав статистику таких событий, детектор может увидеть то, где же внутри него фотоны превращаются в e⁺e^–-пары чаще всего.

Рис. 2. Статистика событий конверсии фотонов во внутренней части детектора ALICE, набранная в 2012 году. Чем больше локальная плотность вещества, тем чаще там происходит конверсия фотонов. Отлично видны все мелкие детали строения детектора. Изображение с сайта iop.org

На рис. 2 показана картина, полученная детектором ALICE по итогам 2012 года. Здесь показаны внутренние 4 × 4 метра детектора в поперечной плоскости (то есть перпендикулярно оси пучков). Количество событий, приходящихся на каждый пиксел (!) картинки, меняется от одного на периферии газовой камеры до десятков тысяч в самом центре. Отлично видны все внутренности детектора: несколько слоев в самой центральной его части, стенки газовой камеры, стержни, образующие каркас, экран тепловой изоляции.

Этот «снимок» позволяет не только увидеть всё в мельчайших деталях, но и напрямую вычислить энергопотери заряженных частиц, когда они пролетают сквозь центральные слои детектора. Ведь одно дело — моделировать прохождение частиц, опираясь лишь на измерения, выполненные давно, до окончательной сборки детектора, а другое дело — «прощупать все внутренности» прямо сейчас и причем в том конкретном виде, в котором детектор сейчас существует. А это, в свою очередь, очень полезно для уменьшения погрешностей при измерении импульса частиц — а ведь способность точно выполнять это измерение является одним из важнейших преимуществ детектора ALICE.

Конечно, ALICE — не единственный детектор, способный разглядеть собственные внутренности. Но очень уж красивый получился результат!