Назначение и принципы работы мюонных систем
Мюонные системы играют ключевую роль в детектировании мюонов — элементарных лептонов второго поколения, которые слабо взаимодействуют с веществом, обладают массой около 105.7 МэВ и сравнительно долгим временем жизни (порядка 2.2 микросекунды). Благодаря высокой проникающей способности мюоны легко проходят через калориметры и покидают их пределы, что делает возможным их идентификацию за пределами других подсистем детектора. Мюонные системы устанавливаются на периферии всего комплекса, часто за поглотителями или тороидами, и реализуются в виде массивов газоразрядных камер.
Ключевые задачи мюонной системы:
Конструкция и размещение мюонных систем
Мюонная система, как правило, охватывает детектор снаружи по окружности, и часто состоит из нескольких радиальных слоёв, чередующихся с поглотителями, которые останавливают частицы, кроме мюонов. Типичная структура включает три или более слоя, обеспечивающих высокую вероятность регистрации, а также пространственное и временное разрешение.
Для повышения селективности мюонных систем относительно других частиц в конструкции используются железные поглотители — слои материала, через которые проходят только мюоны с достаточной энергией. Эти поглотители также могут быть намагничены (как в системе ATLAS), обеспечивая дополнительную информацию о заряде и импульсе мюона.
Типы детекторов, используемых в мюонных системах
В различных экспериментах применяются разнообразные технологии для регистрации мюонов, каждая из которых обладает своими преимуществами в точности, скорости и устойчивости к радиационному фону:
1. Дрейфовые трубки (Drift Tubes, DT): Используются в условиях с умеренной плотностью треков, например, в баррельной части. Представляют собой длинные цилиндры с центральной анодной проволокой. Когда мюон проходит через трубку, он ионизирует газ, а образовавшиеся электроны дрейфуют к проволоке. По времени прихода сигнала можно восстановить координату трека с высокой точностью (~100 мкм).
2. Камеры с расщеплением времени (Resistive Plate Chambers, RPC): Работают в режиме газового пробоя с быстрым сигналом (временное разрешение ~1 нс), что делает их удобными для триггерной системы. Обладают невысокой координатной точностью, но компенсируют это скоростью и надёжностью.
3. Камеры на основе тонкоплёночных микроструктур (Micromegas, GEM): Обеспечивают высокую пространственную точность и хорошую радиационную устойчивость. Используются в апгрейдах крупных детекторов, например, в модернизации мюонной системы эксперимента ATLAS.
4. Многопроволочные пропорциональные камеры (MWPC): Хорошо зарекомендовали себя в старших поколениях экспериментов (например, DELPHI, L3). Обеспечивают высокую точность, но уступают по скорости новым технологиям.
Магнитные поля и измерение импульса
Хотя большая часть измерения импульса мюона происходит в трековой системе (обычно в сильном магнитном поле соленоида), некоторые эксперименты, такие как ATLAS, используют дополнительно тороидальные магниты в мюонной системе. Это позволяет получить независимую оценку импульса, особенно для высокоэнергичных мюонов, где точность трекеров снижается из-за малой кривизны траектории. В таких случаях возможно сопоставление результатов, полученных в мюонной системе и центральной части, что позволяет устранить неоднозначности и повысить надёжность реконструкции событий.
Роль в триггерной системе
Быстрое и селективное срабатывание мюонной системы критично для запуска системы триггера первого уровня. Сигнал от мюонного детектора может свидетельствовать о протекании интересного события, например, распада тяжёлого бозона (W, Z, Higgs) или рождения новых частиц. Таким образом, мюонная система должна обладать не только высоким разрешением, но и минимальной задержкой.
В мюонных системах первого уровня триггера применяются преимущественно RPC и TGC (Thin Gap Chambers), которые обеспечивают быстрое время отклика. При совпадении нескольких слоёв регистрируется возможный мюон, и передаётся сигнал на триггерную логику.
Мюонная идентификация и подавление фона
Мюоны являются отличным признаком для отбора событий, связанных с новыми физическими процессами, включая распад бозонов, рождение тяжёлых кварков и проявление SUSY. Однако, важно надёжно отличать мюоны от других частиц, особенно от:
Для этого используются совпадения между трековой системой, калориметрами и мюонной системой. Если частица имеет трек, зарегистрированный в центральной части, и он продолжается в мюонной системе без значительного энергетического депозита в калориметрах, это сильный кандидат на мюон.
Калибровка и выравнивание
Работа мюонной системы требует регулярной калибровки и выравнивания геометрии. Дрейфовые трубки чувствительны к изменению параметров газа, температуре и давлению, что влияет на время дрейфа. Используются лазерные системы и данные от космических мюонов для точной настройки временных окон и положения детекторов.
Кроме того, выравнивание мюонных камер относительно трековой системы критично для точного определения импульса, особенно при больших энергиях, когда отклонение в магнитном поле минимально.
Примеры реализации в крупных экспериментах
ATLAS: Мюонная система включает более 1000 м² площадей газовых детекторов. Применяются дрейфовые трубки (MDT), камеры с тонкими зазорами (TGC), RPC и CSC (cathode strip chambers). Используются тороидальные магниты, обеспечивающие независимое измерение импульса мюона.
CMS: В отличие от ATLAS, использует соленоидальное магнитное поле и не имеет внешнего тороида. Мюонная система включает дрейфовые трубки в барреле, CSC в эндкапах и RPC по всей поверхности. Интеграция с трекером и калориметрами обеспечивает высокую эффективность идентификации мюонов.
LHCb: Ориентирована на физику тяжёлых кварков. Мюонная система построена из пяти станций, чередующихся с поглотителями. Используются MWPC и GEM. Оптимизирована для низкого времени срабатывания и высокой скорости обработки.
ALICE: Обладает мюонной системой в форвардном направлении (мюонный спектрометр), ориентированной на изучение тяжелых мезонов и оней. Состоит из поглотителя, MWPC и тороидального магнита.
Роль в новых и будущих экспериментах
В экспериментах HL-LHC (High-Luminosity LHC) нагрузка на мюонную систему возрастёт за счёт увеличенного числа наложенных событий (pile-up). Поэтому активно разрабатываются новые технологии:
Таким образом, мюонные системы являются незаменимым инструментом современной физики высоких энергий. Их сложная структура, многоуровневая технология и интеграция с другими подсистемами детектора обеспечивают высокую точность и эффективность регистрации одного из самых информативных сигналов — мюона.