Detektor ALICE[3]

  • Pole magnetyczne
  • Detektor ITS
  • Komora projekcji czasu (TPC)
  • Detektor PID i HMPID
  • Detektor PHOS
  • Zewnętrzny spektrometr mionowy

    ALICE składa się zasadniczo z dwóch części: centralnej, składającej się z detektorów przeznaczonych do badania materii hadronicznej oraz zewnętrznego spektrometru mionowego, zaprojektowanego do badań oddziaływań międzykwarkowych w gęstej i gorącej materii. Centralna część pokrywa rapidity z zakresu < 0.9, jest otoczona magnesem wytwarzającym słabe pole magnetyczne, które podobnie jak w detektorze ma zakrzywiać tory naładowanych cząstek. Pierwszym detektorem w tej części jest ITS, składający się z sześciu warstw detektorów krzemowych, zaraz za nim jest TPCi PID. Poza tym są tu jeszcze dwa małe kalorymetry elektromagnetyczne - PHOS i detektor HMPID, zaprojektowany do identyfikacji cząstek o dużych pędach poprzecznych. Spektrometr mionowy, stanowiący część zewnętrzną, będzie pokrywał zakres rapidity równy 2.4-4. Składa się on z absorbenta, magnesu dipolowego i urządzeń umożliwiających rejestrację przychodzących sygnałów. W skład ALICE wchodzą jeszcze detektory ZDC i FMD usytuowane w tunelu wiązki. Detektor ALICE został tak zaprojektowany, aby móc jednocześnie dokonywać pomiarów wielu wartości charakteryzujących materie jądrową w niezwykle trudnych warunkach dużej krotności cząstek - 8000 naładowanych cząstek na jednostkę rapidity ,przy około 100 centralnych zderzeniach na sekundę w kolizjach wiązek jonów ołowiu. Takie warunki wymagają stworzenia wydajnych algorytmów rekonstrukcji torów cząstek.

     Pole magnetyczne

    W eksperymencie ALICE jednorodne pole magnetyczne będzie wytwarzane przez ogromny solenoid otaczający cały detektor. Parametry pola zostały dobrane tak, aby umożliwić efektywną rekonstrukcję torów z detektora TPC, przy dobrej rozdzielczości i akceptancji (akceptancja – mierzony obszar przestrzeni fazowej) pędów. Indukcja magnetyczna powinna wynosić 0.2 Tesli, co pozwoli w TPC rejestrować cząstki o pędach poprzecznych większych niż 100 MeV/c [6]. Cząstki o niższych pędach będą identyfikowane za pomocą detektora ITS.

    Detektor ITS

    Głównymi zadaniami detektora ITS (Inner Tracking System) są: detekcja wtórnego wierzchołka rozpadów hiperonów, identyfikacja i rekonstrukcja torów cząstek o małych pędach poprzecznych, które nie docierają do TPC. Ponadto ITS zwiększa wydajność identyfikacji cząstek o dużych pędach poprzecznych, umożliwia określenie kątów dla analiz interferometrycznych typu HBT i poprawia rozdzielczości pędowe dalszych elementów

    układu ALICE [6]. Detektor składa się z sześciu warstw krzemowych, otaczających przewód z wiązką. Ilość warstw i ich odległości od punktu zderzenia zostały zoptymalizowane ze względu na prowadzone pomiary. Z powodu niezwykle dużej gęstości cząstek w detektorze ITS został on wyposażony w urządzenia detekcyjne o wysokiej rozdzielczości, krzemowe detektory pikselowe, dryfowe i paskowe. 

     Komora projekcji czasu (TPC)

    Zastosowanie tego detektora w eksperymencie ALICE jest takie samo jak w STAR.Różnica polega na budowie i parametrach i wynika z warunków pracy detektora TPC (8000 naładowanych cząstek na jednostkę rapidity ). Wewnętrzny promień detektora wynosi 88 cm i jest wyznaczony przez maksymalną akceptancję gęstości torów w TPC (0.1 cm-2). Zewnętrzny promień (250 cm) jest określony przez długość potrzebną do uzyskania rozdzielczości 7% w pomiarach strat energii (dE/dx) [6]. Dzięki temu TPC może rejestrować sygnały pochodzące od cząstek o pędach poprzecznych bliskich wartości 2.5 GeV/c. Długość detektora wynosi 5 m i jest on, podobnie jak w eksperymencie STAR, podzielony na dwa sektory: wewnętrzny (88 < R < 136 cm) i zewnętrzny (142 < R < 250 cm). Mniejszy z segmentów składa się z 2x12 modułów czytających dane, a większy z 2x24 modułów. Wewnątrz komory znajduje się przegroda wytwarzająca jednorodne pole elektryczne o różnicy potencjałów 100 kV (400 V/cm). Przy tej wartości pola czas dryfu elektronów do ścianek bocznych jest niewiększy niż 100 ms (2.5 cm/ms). Do tej pory nie ustalono, jakim gazem będzie wypełnione wnętrze detektora. Prowadzi się symulacje dla kilku mieszanin

     

    Mieszanina Stosunek wagowy
    Ar/CH 4

     9:1

    Ne/CH4 9:1
    Ne/CO2 9:1
    Ne/CO2 9:1
    Ar/ CO2 9:1
    Ne/CH4/CO2 9.1:4.5:4.5
    Tabela 1 Możliwe mieszaniny do wypełnienia detektora TPC [6].

     Detektor PID i HMPID

    System identyfikacji PID (Particle Identification) jest detektorem  mierzącym czas przelotu cząstek przez detektor. Będzie on wykonany w jednej z dwóch możliwych technologii: liczników iskrowych Pestova lub komór PPC (Parallel Plate Chamber). Na razie nie zdecydowano, która z możliwości zostanie ostatecznie wykorzystana przy budowie detektora, jednakże dobór odpowiedniej jest niezwykle ważny ze względu na rolę jaką PID odgrywa w eksperymencie ALICE. Detektor PID jest odpowiedzialny za identyfikacje hadronów o pędach poprzecznych nie większych niż 2 GeV/c i niemniejszych niż 0.5 GeV/c oraz elektronów o pędach z zakresu 140 < p < 200 MeV/c [6]. Z warunków panujących w ALICE wynika, że system identyfikacji powinien pracować z rozdzielczością około 100 pikosekund przy krotności 75 cząstek na m2 detektora. Detektor HMPID (High Momentum Particle Identification) rozszerza możliwości detektora PID przy rejestracji wysokoenergetycznych hadronów o pędach poprzecznych większych niż 1 GeV/c. Układ ten będzie potrafił separować kaony od pionów na poziomie 3s aż do wartości pędów równej 3.4 GeV/c.

     Detektor PHOS

    Detektor PHOS (Photon Spectrometer) jest kalorymetrem elektromagnetycznym, zaprojektowanym do badań fotonów przychodzących bezpośrednio z materii powstałej w punkcie zderzenia. Rejestracja i pomiar pędów tych fotonów pozwoli na określenie warunków panujących na początku kolizji dwóch wiązek. Ponadto PHOS ma umożliwić pomiary cząstekp0 i h w przedziale najwyższych pędów poprzecznych; uzyskane w ten sposób dane pozwolą określić warunki propagacji dżetów. Detektor jest położony w odległości pięciu metrów od punktu zderzenia i pokrywa jedynie 18 m2 powierzchni otaczającej tunel z wiązką. Wynika to z potrzeby zmniejszenia kosztów całego eksperymentu ALICE. Wewnętrzna struktura kalorymetru zostanie wykonana z 36 000 tysięcy kryształów wolframu ołowiu (PbWO4). Wolfram ołowiu jest monokryształem scyntylacyjnym o ciągłym spektrum emisyjnym w  zakresie od 440 nm do 530 nm. Detektor będzie pracował w temperaturze – 25°C; w tej temperaturze kryształy pracują najefektywniej.

    Zewnętrzny spektrometr mionowy

    Spektrometr mionowy stanowi zewnętrzną część detektora ALICE, jego zadaniem będzie pomiar rozpadów ciężkich rezonansów kwarkowych  w przedziale rapidity równym h

    = 2.4 – 4 [6]. Uzyskane dane będą jednymi z głównych sygnałów świadczących o pojawieniu się plazmy kwarkowo – gluonowej. Tylko dokładna separacja zarejestrowanych cząstek pozwoli na poszukiwanie QGP, dlatego rozdzielczość masowa detektora powinna być mniejsza niż 1%. Spektrometr składa się z absorbentu, usytuowanego w odległości jednego metra od punktu zderzenia. Jego zadaniem jest tłumienie cząstek o dużych pędach podłużnych (>10 000 naładowanych cząstek). Najprawdopodobniej będzie wykonany z węgla, co zapewni małe rozpraszania cząstek w kierunku TPC. Za pierwszym absorbentem znajduje się magnes dipolowy o indukcji 3 mT; wartość indukcji została dobrana przy uwzględnieniu wpływów solenoidu otaczającego pobliski detektor centralny. Za magnesem dipolowym jest umieszczonych 10 detektorów służących do rekonstrukcji torów w  warunkach dużej gęstości cząstek. Następnym elementem spektrometru jest absorbent wykonany z żelaza. Za nim znajdują się jeszcze tylko dwa detektory służące do rekonstrukcji torów cząstek.

    Rys. Identyfikacja cząstek w eksperymencie ALICE [4]

    1 Rapidity: wielkość wykorzystywana do opisu zachowania cząstki. Jest zdefiniowana jako η = (1/2)*ln[(E+pII)/(E-pII)] gdzie pII jest składową pędu równoległą do wiązki, a E jest energią cząstki.