Kalorimetry

Druhou vrstvou slupkovité struktury detektoru ATLAS, která obklopuje vnitřní detektor (Inner Detector), jsou tzv. kalorimetry. Ty jsou určeny především pro měření energie vzniklých částic. Pro měření využívají metody absorbce, kdy příslušná částice interaguje v detektorovém materiálu, čímž způsobí vznik spršky sekundárních částic.

Detektor ATLAS používá dva typy kalorimetrů, a to elekromagnetický kalorimetr (ECAL) nacházející se přímo nad vnitřním detektorem a hadronový kalorimetr (HCAL) obklopující ECAL. Na obr. 1 jsou tyto části vyznačeny zelenou a červenou barvou.

 

Schématický obrázek detektoru ATLAS s označením jeho vrstev

Obr. 1 - Schématický obrázek detektoru ATLAS s označením jeho vrstev (Zdroj: ATLAS group in Marseille)

 

Elektromagnetický kalorimetr (ECAL) se používá pro měření energie elektronů a gamma záření. Je složen z 1,5 mm silných olověných absobčních plátů překrytých nerezovou ocelí (pro zvýšení mechanické pevnosti), umístěných ve vzdálenosti 4 mm od sebe. Jejich harmoniková struktura zajišťuje jednotnou odezvu ve všech směrech. Prostor mezi pláty je vyplněn tekutým argonem (Liquid Argon - LAr) o teplotě -183 °C. Ten se používá z důvodu vysoké izolační pevnosti (odolnosti vůči průrazu), neboť v prostoru mezi pláty je silné elektrické pole (až 2,5 kV).

Poté, co vysokoenergetické fotony či elektrony z primárního vertexu (místa primární srážky urychlených částic) vniknou do olověného materiálu, způsobí vznik spršek mnoha elektronů a positronů s nižší energií. Ve chvíli, kdy částice přejdou z olova do tekutého argonu, způsobí ionizaci podél své trajektorie. Přítomné elektrické pole pak odvádí vzniklý náboj, čímž vzniká elektrický proud, který je následně změřen.

Na koncích ECALu se nachází přední kalorimetry LAr, které zvyšují prostorové pokrytí kalorimetru a jsou schopny detekovat částice, které se po srážce odchýlí od osy svazku protonů o malý úhel.

 

Harmoniková struktura elektromagnetického kalorimetru

Obr. 2 - Harmoniková struktura elektromagnetického kalorimetru (Zdroj: http://atlas.ch)

 

Uspořádání elektromagnetického kalorimetru

Obr. 3 - Uspořádání struktury elektromagnetického kalorimetru (Zdroj: http://atlas.ch)

Hadronový kalorimetr (HCAL) je druhým typem kalorimetru, který obklopuje ECAL. Slouží pro měření energie hadronů (protonů a neutronů, pionů, kaonů). Elektrony a fotony za ECAL neprojdou.

Z obr. 4 je možno vidět rozdělení kalorimetrického systému na střední a dvě postranní části. Hlavní částí sytému hadronových kalorimetrů tvoří hadronový scintilační deskový kalorimetr TileCal. Ten je složen z měděných a ocelových pohlcovacích členů oddělených deskami scintilačního plastu.

Interakce vysokoenergetických hadronů, které ztratily jen malou část své energie průchodem elektromagnetickým kalorimetrem, v měděných a ocelových členech způsobí vznik hadronové spršky mnoha protonů, neutronů a dalších hadronů o nižší energii. Tento proud částic při průchodu scintilačním plastem vytvoří záření, které je úměrné k energii srážky.

 

Schématický obrázek

Obr. 4 - Schématický obrázek (Zdroj: http://atlas.ch)

 

Na konci postranních částí kalorimetrického systému jsou umístěny zadní kalorimetry LAr, které mají horší rozlišení, avšak jsou schopné detekovat všechny druhy běžně detekovatelných částic. Pracují na podobném principu jako elektromagnetický kalorimetr, obsahují detektory s tekutým argonem (LAr - Liquid Argon) prokládané vrstvami kovu.

 

Deska scintilačního plastu hadronového kalorimetru

Obr. 5 - Deska scintilačního plastu hadronového kalorimetru (Zdroj: http://atlas.ch)

 

Umísťování válce s kalorimetry v detektoru ATLAS

Obr. 6 - Umísťování válce s kalorimetry v detektoru ATLAS (Zdroj: http://atlas.ch)

 

Přehled technických údajů kalorimetrů detektoru ATLAS:

ECAL

  • aktivní médium: kapalný argon (-183 °C)
  • 1024 absobčních desek harmonikové struktury
  • napětí mezi deskami až 2,5 kV
  • 200 000 elektronických vyčítacích kanálů
  • rozlišení události v čase kratším než 200 ps
  • 2,25 m vnější poloměr kryostatu obklopující ECAL

HCAL

  • přibližně 10 000 elektronických vyčítacích kanálů
  • válcová struktura TileCalu s vnitřním poloměrem 2,28 m a vnějším poloměrem 4,23 m
  • délka střední části 5,64 m, délka obou postranních částí 2,91 m

Celková hmotnost kalorimetrického systému včetně solenoidu, který obklopuje vnitřní detektor, je okolo 4000 tun. Z následující tabulky je vidět, že různé části detektoru ATLAS jsou navrženy pro detekci různých částic a jejich pozorovatelných vlastností.


Inner Detector ECAL HCAL Muon Spectrometer
Pozorovatelná vlastnost
Poloha X Energie E Energie E Moment P
electrony a positrony e? x x - -
fotony - x - -
protony p, piony x x x -
neutrony n, piony - - x -
miony x x x x
neutrina - - - -

Miony jsou jediné detekovatelné částice, které projdou všemi částmi detektoru. Neutrina naopak procházejí celým detektorem bez jakékoli interakce. Detekcí těchto částic - duchů se zabývá např. projekt Super-Kamiokande.

Související články - Vnitřní detektor, Mionové komory


poslední aktualizace: 30.04.2012