donde va la energía

Medir las energías de partículas elementales de alta energía ofrece una puerta de entrada a nuevos descubrimientos en física de partículas.Sehwook Lee,Juan HauptmanyRichard Wigmansdescribir cómo los desarrollos recientes en calorímetros están ayudando a avanzar en el campo

Los físicos de partículas utilizan calorímetros de un tipo u otro desde hace unos 70 años. El principio básico de estos instrumentos es sencillo: la idea es medir las energías de partículas elementales como el electrón, el protón y el neutrón, así como las producidas artificialmente como piones y kaones, enviándolas a un medio denso donde interactuar. Cada interacción produce más partículas con energías más bajas, que también interactúan con el medio, y el proceso continúa hasta que la energía de la partícula original se agota por completo. Intercalando el medio de interacción con detectores de carga y sumando las señales registradas, podemos obtener una medida de la energía total de la partícula inicial.

En la imagen de arriba se muestra una “lluvia” de partículas inducida por un electrón de alta energía. Aquí, las partículas cargadas de la lluvia (electrones y antielectrones, o positrones) se hacen visibles a través de una cámara de niebla: un tipo clásico de calorímetro llamado calorímetro de muestreo. El desarrollo de estas lluvias de partículas es muy aleatorio. El número de partículas generadas en la lluvia, N, es una medida directa de la energía, E, de la partícula iniciadora. N sigue una distribución de Poisson por lo que las fluctuaciones aleatorias en N son iguales a √N y, por tanto, la precisión relativa en N, que es la resolución energética, es √N/N. La resolución de energía es una fórmula simple, σE/E ≈ k/√E. Este calorímetro de cámara de niebla tiene k ≈ 85% cuando E se expresa en unidades GeV (como referencia, la energía de la masa en reposo de un protón es aproximadamente 1 GeV); Para un calorímetro de muestreo electromagnético moderno, k suele ser del 10% o mejor.

Las energías de los electrones son fáciles de medir en calorímetros porque estas partículas interactúan a través de la fuerza electromagnética, con sólo dos interacciones simples permitidas. Por el contrario, las partículas sujetas a la fuerza nuclear fuerte (como protones, neutrones, piones y kaones, conocidos colectivamente como hadrones) interactúan a través de una multitud de mecanismos ampliamente fluctuantes, con complicaciones adicionales asociadas con la ruptura de los núcleos y la energía gastada en las energías de enlace nuclear. .

La tremenda complejidad de una lluvia de hadrones se ilustra en la figura 1, que muestra los resultados de una simulación (creada utilizando el código CERN GEANT4) de un protón de 500 GeV entrando en un absorbente de cobre. Los hadrones cargados se muestran en azul, mientras que los electrones y positrones se muestran en rojo. Visualmente, la intensidad del color indica la cantidad de energía perdida por las partículas y representa la señal generada por el calorímetro.

Las interacciones de partículas en lluvias como esta son un área de investigación compleja pero muy importante en física de partículas, y en el proyecto de I+D del CERN RD52 las estamos estudiando utilizando un nuevo tipo de calorímetro (los resultados completos del proyecto están disponibles en www.phys .ttu.edu/~dream, donde se puede ver una colección de lluvias hadrónicas inducidas por protones en un absorbente de cobre). Estos instrumentos de “lectura dual” están hechos de cobre o plomo y entremezclados con dos tipos de fibras ópticas: fibras centelleantes que detectan todas las partículas cargadas y fibras transparentes en las que la luz de Cherenkov es generada predominantemente por los electrones y positrones de la lluvia. Estas dos señales muy diferentes de una lluvia se utilizan en combinación para extraer una medición altamente precisa de las energías de los hadrones, incluidas, lo más importante, las energías de los "chorros" de partículas resultantes de la fragmentación de un quark o gluón producido en interacciones fundamentales como los estudiados en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y otras instalaciones en todo el mundo.

En la figura 2 se muestra un calorímetro diseñado específicamente para medir estos chorros de partículas. Consta de fibras de 1 mm de diámetro en centros de 1,5 mm uniformemente intercaladas en un absorbente de cobre. El tamaño de este absorbente viene dictado por las distancias de interacción características de electrones y hadrones. La distancia a la que un electrón interactuará y producirá más partículas se llama longitud de radiación y es de alrededor de un centímetro para la mayoría de los metales (incluido el cobre). La distancia correspondiente sobre la cual interactuará un hadrón se conoce como longitud de interacción nuclear. Es considerablemente más largo, normalmente de 20 a 30 cm, y se necesitan varias longitudes de interacción nuclear para absorber completamente una lluvia hadrónica. La diferencia es evidente en la lluvia simulada en la figura 1, que muestra los hadrones cargados de color azul viajando distancias más largas antes de interactuar. Los electrones y positrones de color rojo interactúan claramente a una escala mucho más corta. Los puntos rojos entrecanos evidentes en todo el volumen son electrones de la dispersión Compton de fotones de baja energía (aproximadamente 1 MeV) que tienen una sección transversal mínima para interactuar con esta energía y, por lo tanto, se distribuyen espacialmente en el calorímetro.

La variación y complejidad en el desarrollo de las lluvias son un desafío para los calorímetros. Para obtener una medida precisa de la energía total es necesario medir cada componente fluctuante de una lluvia. La parte electromagnética está formada por electrones y positrones y se mide mediante la luz de Cherenkov generada en las fibras transparentes. Los hadrones cargados se miden por la luz de centelleo generada en las fibras centelleantes, y los neutrones de la ruptura nuclear se miden por los protones de retroceso de desarrollo tardío de la dispersión elástica de neutrones-protones en las fibras centelleantes.

Este enfoque de lectura dual ha sido probado exhaustivamente y produce resoluciones de energía cercanas a σE/E ≈ 30%/√E tanto en simulaciones como en datos. Esto significa que la energía de los chorros de 100 GeV se puede medir con una precisión del 3%, mucho mejor que la que se puede lograr con los calorímetros disponibles actualmente. La principal dificultad en la construcción de un calorímetro de este tipo es formar el absorbente de cobre con la precisión requerida: aproximadamente 10 µm en una longitud de aproximadamente 2,5 m. Esta precisión espacial es necesaria para mantener una distribución altamente uniforme (mejor que el 1% cuando se promedia sobre un volumen en forma de cigarro) de los dos tipos de fibras en relación con el absorbente. Dado que la medición de energía depende críticamente de la luz generada en las fibras, si una región del calorímetro tiene un 1% más de densidad de fibras, entonces las lluvias que se desarrollen aquí producirán un 1% más de luz. Un conjunto de lluvias de la misma energía tendrá una distribución de señal un 1% más amplia.

Hemos probado varios métodos para crear estos absorbentes de cobre, incluido el laminado de láminas de cobre, el raspado, la extrusión, el ranurado con chorro de agua, el grabado químico y el corte con cuchillas. Sólo el procedimiento de corte tuvo éxito, pero también fue difícil y caro. Un procedimiento industrial que implique laminación (quizás con múltiples laminaciones) podría tener éxito, pero en todas nuestras pruebas, la laminación de cobre siempre resultó en láminas muy deformadas debido al endurecimiento por trabajo. Antes de que podamos aprovechar realmente el rendimiento mejorado de nuestro calorímetro, necesitamos mejores medios para fabricar láminas de cobre para pruebas a gran escala.