Para onde vai a energia

Medir as energias de partículas elementares de alta energia oferece uma porta de entrada para novas descobertas na física de partículas.Sehwook Lee,John HauptmanneRichard Wigmansdescrever como os desenvolvimentos recentes em calorímetros estão ajudando a avançar no campo

Os físicos de partículas têm usado calorímetros de um tipo ou de outro há cerca de 70 anos. O princípio básico destes instrumentos robustos é simples: a idéia é medir as energias de partículas elementares, como o elétron, o próton e o nêutron, bem como aquelas produzidas artificialmente, como píons e kaons, enviando-as para um meio denso onde elas interagir. Cada interação produz mais partículas com energias mais baixas, que também interagem com o meio, e o processo continua até que a energia da partícula original se esgote completamente. Intercalando o meio de interação com detectores sensores de carga e somando os sinais registrados, podemos obter uma medição da energia total da partícula inicial.

Uma “chuva” de partículas induzida por um elétron de alta energia é mostrada na imagem acima. Aqui, as partículas carregadas da chuva (elétrons e anti-elétrons, ou pósitrons) tornam-se visíveis através de uma câmara de nuvens: um tipo clássico de calorímetro denominado calorímetro de amostragem. O desenvolvimento destas chuvas de partículas é altamente aleatório. O número de partículas geradas no chuveiro, N, é uma medida direta da energia, E, da partícula inicial. N segue uma distribuição de Poisson, então as flutuações aleatórias em N são iguais a √N e, portanto, a precisão relativa em N, que é a resolução de energia, é √N/N. A resolução de energia é uma fórmula simples, σE/E ≈ k/√E. Este calorímetro de câmara de nuvens tem k ≈ 85% quando E é expresso em unidades GeV (para referência, a energia da massa restante de um próton é cerca de 1 GeV); para um calorímetro de amostragem eletromagnética moderno, k é normalmente 10% ou melhor.

As energias dos elétrons são fáceis de medir em calorímetros porque essas partículas interagem através da força eletromagnética, com apenas duas interações simples permitidas. Em contraste, as partículas sujeitas à força nuclear forte (como prótons, nêutrons, píons e kaons – conhecidos coletivamente como hádrons) interagem através de uma infinidade de mecanismos amplamente flutuantes, com complicações adicionais associadas à quebra do núcleo e à energia gasta para energias de ligação nuclear. .

A tremenda complexidade de uma chuva de hádrons é ilustrada na figura 1, que mostra os resultados de uma simulação (criada usando o código CERN GEANT4) de um próton de 500 GeV entrando em um absorvedor de cobre. Os hádrons carregados são mostrados em azul, enquanto os elétrons e pósitrons estão em vermelho. Visualmente, a intensidade da cor indica a quantidade de energia perdida pelas partículas e representa o sinal gerado pelo calorímetro.

As interações de partículas em chuvas como esta são uma área de pesquisa complexa, mas altamente importante em física de partículas, e no projeto de P&D RD52 do CERN estamos estudando-as usando um novo tipo de calorímetro (os resultados completos do projeto estão disponíveis em www.phys .ttu.edu/~dream, onde se pode ver uma coleção de chuvas hadrônicas induzidas por prótons em um absorvedor de cobre). Estes instrumentos de “leitura dupla” são feitos de cobre ou chumbo e intercalados com dois tipos de fibras ópticas: fibras cintilantes que detectam todas as partículas carregadas e fibras claras nas quais a luz de Cherenkov é gerada predominantemente pelos electrões e pósitrons do chuveiro. Esses dois sinais muito diferentes de uma chuva são usados ​​em combinação para extrair uma medição altamente precisa das energias dos hádrons – incluindo, mais importante ainda, as energias dos “jatos” de partículas resultantes da fragmentação de um quark ou glúon produzidos em interações fundamentais como aqueles estudados no Large Hadron Collider do CERN e em outras instalações ao redor do mundo.

Um calorímetro projetado especificamente para medir esses jatos de partículas é mostrado na figura 2. Ele consiste em fibras de 1 mm de diâmetro em centros de 1,5 mm, uniformemente intercaladas em um absorvedor de cobre. O tamanho deste absorvedor é ditado pelas distâncias características de interação de elétrons e hádrons. A distância pela qual um elétron irá interagir e produzir mais partículas é chamada de comprimento de radiação e é de cerca de um centímetro para a maioria dos metais (incluindo o cobre). A distância correspondente na qual um hádron irá interagir é conhecida como comprimento de interação nuclear. Isto é consideravelmente mais longo, normalmente 20-30 cm, e são necessários vários comprimentos de interação nuclear para absorver totalmente uma chuva hadrônica. A diferença é evidente na chuva simulada da figura 1, que mostra os hádrons carregados de cor azul viajando distâncias maiores antes de interagir. Os elétrons e pósitrons de cor vermelha interagem claramente em uma escala muito mais curta. Os pontos vermelhos sal e pimenta evidentes em todo o volume são elétrons do espalhamento Compton de fótons de baixa energia (cerca de 1 MeV) que têm uma seção transversal mínima para interagir nesta energia e, portanto, espalhados espacialmente no calorímetro.