Оставляет ли Фотон след в кремниевом трекере?

Вот что такое кремниевый трекер в детекторах частиц:

Большинство детекторов кремниевых частиц [ 1] в принципе работают путем легирования узких (обычно шириной около 100 микрометров) полосок кремния, превращая их в диоды, которые затем смещаются в обратном направлении. Когда заряженные частицы проходят через эти полоски, они вызывают небольшие токи ионизации, которые можно обнаружить и измерить. Размещение тысяч таких детекторов вокруг точки столкновения в ускорителе частиц может дать точную картину того, по каким путям идут частицы. Кремниевые детекторы имеют гораздо более высокое разрешение при отслеживании заряженных частиц, чем более старые технологии, такие как камеры Вильсона или проволочные камеры. Недостатком является то, что кремниевые детекторы намного дороже, чем эти старые технологии, и требуют сложного охлаждения для уменьшения токов утечки (источник шума), а также со временем ухудшаются из-за излучения.

Таким образом, дорожки, которые вы видите, представляют собой совокупность точек, измеренных на полосках кремниевых диодов. Полоски, потому что заряженную дорожку нужно как можно меньше тревожить. Взаимодействие заряженной частицы с веществом ионизирует, даже если пройденное расстояние составляет микроны, потому что ионизация - это низкоэнергетическое взаимодействие поля заряженной частицы, поэтому можно записать точку трека. Фотон нейтрален, и единственный способ его ионизации — это лобовое столкновение с электронами атомов кремния, и, скорее всего, произойдет образование пар, что иногда и наблюдается. Но его нельзя использовать в качестве детектора фотонов.

У трекера и фотонного детектора противоречащие друг другу предписания. Фотону нужно много массы, чтобы материализоваться и создать каскад, который будет измерять его энергию, и это происходит в электромагнитных калориметрах детекторов, в данном случае Атласа. У них есть жидкий аргон для обнаружения заряженных каскадов, генерируемых фотонами высокой энергии. CMS имеет для этой цели плотные кристаллы .

Следует отметить, что заряженные треки также обнаруживаются в электромагнитных калориметрах, но могут быть отделены от фотонов, поскольку треки измеряются в трекере, а фотоны начинают появляться в середине калориметра (а не на краю).

В заключение, нет, треки, которые вы показываете, должны быть платными.

Как отмечает Жермес, фотоны запускают детекторы ионизирующего излучения (всех видов, а не только кремниевых), генерируя заряженные частицы.

Процессы, посредством которых это происходит, в первую очередь представляют собой рассеяние электронов, а при достаточно высоких энергиях — образование пар. В меньшей степени вносит вклад и рассеяние на ядрах. Как обычно, хорошей ссылкой является глава «Прохождение частиц через материю» (ссылка в формате PDF) в Книге данных о частицах . Поперечное сечение для различных процессов показано на рисунке 30.15 PDB 2012 (номера рисунков иногда меняются, но рисунок находится там долгое время)

Вы можете подумать, что это затруднит различение электронов и фотонов, особенно потому, что оба они будут генерировать электромагнитный каскад, и вы будете правы. Однако, если

• у вас высокое пространственное и энергетическое разрешение
• энергия трека достаточно высока, чтобы в поперечном сечении фотонов преобладало образование пар (несколько МэВ и выше)

тогда можно различить с разумной уверенностью. Вы посмотрите на отложение энергии в первые несколько$\text{g cm}^{-2}$трека (менее одной радиационной длины); большинство электронов будут иметь запас энергии около 1 минимальной ионизирующей частицы (MIP) в этом диапазоне, в то время как большинство фотонов демонстрируют 2 MIP (поскольку первое взаимодействие, вероятно, было образованием пары).

Если ваше пространственное разрешение достаточно хорошее, а ваш детектор достаточно рассеянный, вы также сможете увидеть разделение между вершиной и началом каскада для фотонов, но это сложно для многих детекторов. Ответ Анны v предполагает, что это основная фотонная метка для ATLAS.

Мне кажется, я слышал в докладе, что ATLAS также использует некоторые геометрические параметры ливня в ECAL, чтобы помочь с PID между электронами и фотонами, но не может дать ссылку. Сейчас я не занимаюсь этими большими составными детекторами и не был в курсе деталей.

Чтобы ответить на главный вопрос: да , фотон может оставить след в кремниевом детекторе, если его энергия достаточна для ионизации .

Что касается изображения выше: я не думаю, что вы можете сказать, только по этому изображению, является ли частица фотоном или электроном. Причина, по которой детекторы на этих устройствах такие сложные, заключается в том, что вам нужно много данных, чтобы точно определить, что происходит. Будем надеяться, что физик, занимающийся элементарными частицами, согласится с тем, какие типы характеристик необходимы, чтобы различать электроны и фотоны.