Калориметры — это детекторы, предназначенные для измерения энергии частиц за счёт полной их абсорбции. В отличие от трековых детекторов, которые фиксируют прохождение частиц по их следам, калориметры измеряют энергию частиц по величине высвобожденной энергии, преобразованной в измеримый сигнал.
Существует два основных класса калориметров:
Калориметры также классифицируются по конструкции:
При прохождении высокоэнергетического электрона или фотона через вещество происходит развитие электромагнитного каскада. Основные процессы:
Каскад развивается до тех пор, пока энергия частиц не упадёт ниже критической энергии Ec, после чего доминируют процессы ионизации и тормозного излучения на уровне отдельных частиц. Глубина развития каскада масштабируется через радиационную длину X0, определяющую среднюю длину пробега электрона до потери 1/е его энергии. Типичные ЭМ-калориметры имеют толщину порядка 20–30 X0 для полной абсорбции.
Примеры материалов:
Гадроны при прохождении через вещество возбуждают ядерные реакции, продуцируя вторичные адроны и пионы. Эти каскады более сложны и флуктуируют сильнее по сравнению с электромагнитными. Характерная длина взаимодействия — ядерная длина λI, определяющая среднюю длину пробега адрона до первого неупругого столкновения.
Гадронные каскады состоят из двух компонентов:
Это приводит к флуктуациям отношения fem, доли электромагнитной энергии в общем каскаде. Из-за этих флуктуаций энергетическое разрешение гадронных калориметров хуже, чем у электромагнитных.
Разрешение калориметров на энергию выражается формулой:
$$ \frac{\sigma_E}{E} = \frac{a}{\sqrt{E}} \oplus \frac{b}{E} \oplus c $$
Где:
Для ЭМ-калориметров параметр a обычно находится в пределах 1–3%, а для гадронных может достигать 50–100%, в зависимости от конструкции.
В силу того, что гадронные каскады включают как ЭМ-компоненту, так и адронную, и энергетический отклик к этим компонентам может отличаться, важным параметром является коэффициент компенсации e/h. В идеале для точного измерения энергии e/h = 1, что означает равный отклик на электромагнитную и адронную части.
Для достижения компенсации применяются специальные комбинации материалов:
Существуют также методы программной компенсации, основанные на анализе пространственного распределения энергии и временных характеристик сигнала.
Калориметры требуют регулярной и точной калибровки. Используются следующие методы:
Долговременная стабильность работы калориметра может быть нарушена из-за радиационного старения материалов, изменения прозрачности сцинтилляторов, деградации фоточувствительных элементов и др.
Для регистрации света, возникающего в сцинтилляторах или Cherenkov-детекторах, применяются:
Сигналы от фотодетекторов усиливаются, формируются и оцифровываются с помощью фронтальной электроники, работающей в условиях высоких частот и радиационных нагрузок. Современные калориметры включают многоканальные ASIC, работающие в реальном времени с глубокой буферизацией данных.
CMS (LHC): электромагнитный калориметр из кристаллов PbWO₄ обеспечивает высокое разрешение на энергию фотонов и электронов. Гадронный калориметр — сэмплирующий, с латунными и пластмассовыми слоями.
ATLAS (LHC): ЭМ-калориметр — жидкоаргоновый с абсорбером из свинца, сегментированный в η–φ пространстве. Гадронный — железо-пластиковый в баррел-секции и медно-железный в эндкапах.
CALICE (линейный коллайдер): прототипы калориметров с высокой гранулярностью, оптимизированные для алгоритмов реконструкции частиц методом частиц (particle flow).
Калориметры — важнейшая часть системы триггера в экспериментах, работающих на высоких частотах событий. Они позволяют:
На уровне программного триггера (HLT) калориметры участвуют в более тонкой реконструкции событий: измерении меткости ETmiss, восстановлении масс инвариантных систем, поиске джетов и определении их характеристик.
Современные калориметры представляют собой сложные, многофункциональные системы, сочетающие точные измерения энергии с возможностью пространственной и временной реконструкции событий. Их развитие остаётся ключевым направлением в физике высоких энергий.