Калориметры — это детекторы, предназначенные для измерения энергии элементарных частиц. Их основная задача — полное поглощение энергии частицы и преобразование этой энергии в измеримый сигнал. В основе лежит идея: если частица взаимодействует с веществом детектора, она порождает каскад вторичных частиц (электромагнитный или адронный ливень), а общее количество этих частиц пропорционально энергии первичной.
Калориметры подразделяются на два основных типа:
Существуют также комбинированные калориметры, объединяющие оба типа в одну систему.
Электромагнитные калориметры (ЭМК) предназначены для регистрации частиц, взаимодействующих преимущественно посредством электромагнитного взаимодействия. При вхождении электрона или фотона в вещество калориметра возникает электромагнитный ливень, состоящий из чередующихся актов тормозного излучения и образования электрон-позитронных пар. Глубина ливня определяется радиационной длиной вещества — длиной, на которой электрон теряет примерно 63% своей энергии.
Гомогенные калориметры Полностью выполнены из сцинциллирующего или черенковского материала. Пример: калориметр на кристаллах CsI, PbWO₄. Преимущества: высокая энергия разрешения, равномерность. Недостатки: высокая стоимость, ограниченные размеры.
Сэмплирующие калориметры (слоистые) Состоят из чередующихся слоёв пассивного материала (свинец, вольфрам) и активного (сцинцилляторы, газ, черенковские среды). Пример: калориметр LAr (жидкий аргон) + свинец. Преимущества: высокая радиационная устойчивость, простота масштабирования. Недостатки: худшее энергетическое разрешение по сравнению с гомогенными.
В отличие от электромагнитных, адронные калориметры предназначены для регистрации частиц, взаимодействующих посредством сильного взаимодействия. Энергия адронов теряется за счёт развития адронного ливня, в котором происходит генерация пи-мезонов, каонов и нейтронов, часть энергии уходит в ядерные возбуждения и невидимое излучение (невидимая часть энергии — “инвизибл”).
Одна из главных проблем — адронный калориметр может по-разному регистрировать электромагнитную и адронную компоненты ливня. Коэффициент отклика к электромагнитной и адронной частям обычно обозначается как e/h. Если e/h ≠ 1, то калориметр некомпенсирующий — его отклик зависит от состава ливня, а не только от общей энергии.
Компенсирующие калориметры достигаются путём подбора материалов и толщин слоёв так, чтобы e/h ≈ 1. Это улучшает линейность и энергетическое разрешение.
Пример: использование урана как пассивного слоя в сочетании с водородосодержащими сцинцилляторами приводит к частичному поглощению невидимой энергии.
Энергетическое разрешение — точность измерения энергии. Обычно выражается в виде:
$$ \frac{\sigma_E}{E} = \frac{a}{\sqrt{E}} \oplus b \oplus \frac{c}{E} $$
где:
Линейность отклика — насколько равномерно сигнал меняется с ростом энергии.
Глубина — определяется количеством радиационных/ядерных длины в направлении каскада. Для полной абсорбции необходима достаточная глубина (~25-30 радиационных длин для ЭМК, ~10 ядерных длин для АМК).
Время отклика — важно для триггерных систем.
Радиозащита и устойчивость к излучению — особенно критично для калориметров в центральной области столкновений, как в LHC.
В зависимости от типа активного вещества калориметры используют различные методы регистрации:
В экспериментах высокой энергии используются сложные многослойные калориметрические системы:
Разрабатываются 4D-калориметры, учитывающие не только пространственное, но и временное распределение сигнала, что особенно важно для борьбы с pile-up (наложением событий) на коллайдерах высокой светимости.
Для получения точных данных необходима тщательная калибровка каждого сегмента калориметра. Используются:
Калибровка проводится регулярно для устранения дрейфа чувствительности и радиационного старения.
Калориметры играют ключевую роль в реконструкции:
Калориметры обеспечивают триггерную информацию, временную маркировку событий, а также определяют основные параметры столкновений при высоких энергиях. Они не только регистрируют энергию, но и играют важную роль в идентификации частиц и выделении сигналов на фоне большого числа фоновых событий.