Descrição do Detector

DELPHI é um acrónimo de DEtector with Lepton, Photon and Hadron Identification. Trata-se de uma associação de vários sub-detectores instalados como uma caixa cilíndrica que cobre uma parte do tubo de LEP (vêr figura 4.1), complementada pelas duas bases que podem ser deslocadas para permitir o acesso aos sub-detectores interiores. Nesta secção é dada uma descrição geral do detector, com especial ênfase nos métodos de identificação de partículas e, na secção seguinte, são apresentados em mais detalhe os sub-detectores mais importantes na detecção de fotões. Para uma descrição detalhada do detector DELPHI deve consultar-se a ref. [12].

DELPHI é constituído por um grande número de sub-detectores, que permitem re-gistar diferentes características das partículas e cobrir a quase totalidade do ângulo sólido em torno do ponto de colisão dos dois feixes. A combinação das informações recolhidas por todos os sub-detectores torna possível a reconstrução e análise dos acontecimentos.

Os sub-detectores estão organizados em camadas na parte cilíndrica de DELPHI e são complementados por sistemas semelhantes nas bases do cilindro, que detectam as partículas produzidas com baixos ângulos polares. Ao atravessar as diversas camadas, as partículas interagem com a matéria e gravam algumas das suas características. Assim, quando deixam o detector, já forneceram (na maior parte dos casos) informação suficiente para serem identificadas e para as suas trajectórias serem reconstruídas e a sua energia medida.

Partindo do ponto de interacção, a primeira camada de detecção corresponde aos detectores de traços, onde as partículas carregadas produzem sinais à sua passagem permitindo que a sua trajectória seja reconstruída.

O detector mais próximo da linha de feixe é o detector de vértice (VD), um conjunto de três secções cilíndricas semi-condutoras que registam a criação de pares electrão-lacuna nos pontos de passagem da partícula. Conjugando a informação dos três semi-condutores, pode fazer-se uma extrapolação precisa da direcção da partícula, que permite distinguir se ela foi originada na interacção primária ou num vértice secundário característico do decaímento de uma partícula de vida média longa.

Figure 4.1: Posição dos diferentes sub-detectores em DELPHI. As coordenadas são definidas como $z$ ao longo da direcção do feixe de electrões; $x$ na direcção do centro de LEP e $y$, perpendicular ao plano $xz$, quase vertical e apontando para cima.

Após o VD, a partícula atravessa mais três detectores de traços: o detector interior (ID), a câmara de projecção temporal (TPC) e o detector exterior (OD). A câmara de projecção temporal é o principal detector para informação em posição de DELPHI. Trata-se de uma câmara de deriva preenchida com gás, que é ionizado à passagem das partículas carregadas. Os iões positivos são detectados nas placas de cátodo, que são segmentadas de forma a permitir a separação em posição (r,$\phi$). Os electrões provenientes da ionização são, por sua vez, detectados em vários fios condutores em que se mede a energia perdida, $dE/dx$. Estes electrões estão submetidos a um campo eléctrico fraco que os desloca em $z$, o tempo que decorre até atingirem o fim da TPC fornece uma medida indirecta da posição em $z$ de cada partícula.

Estes detectores de traços não cobrem totalmente a região de baixos ângulos polares e são portanto complementados pelo detector de traços de muito baixo ângulo (VFT) e por duas câmaras de traços de baixo ângulo (FCA e FCB).

A trajectória das partículas carregadas é encurvada por um campo magnético de 1.2 T, orientado segundo $z$, criando espirais. A curvatura das espirais no plano perpendicular a $\vec{B}$ é proporcional ao momento transverso das partículas.

Entre a TPC e o OD, e entre as duas câmaras de traços da região de baixo ângulo, a partícula atravessa detectores de Cerenkov de anel (RICH). Os fotões de Cerenkov são produzidos pelas partículas carregadas a um ângulo constante dependente da sua velocidade, desde que esta seja superior à velocidade da luz no mesmo meio. A combinação da informação de velocidade com a informação de momento de outros sub-detectores permite a separação de acordo com a massa das várias partículas.

Depois dos detectores de traços, nos quais as partículas carregadas interagem com material pouco denso perdendo pouca energia, surge uma nova camada, esta de material muito denso, os calorímetros. Os calorímetros devem ter um material de número atómico Z elevado para aumentar a probabilidade de interacção e um meio activo que produza um sinal correspondente à energia depositada. Existem calorímetros dedicados à medição da energia de electrões e fotões, que se baseiam na interacção electromagnética, e outros dedicados à medição da energia dos hadrões e que se baseiam nas interacções fortes entre os hadrões e os núcleos do material.

Nos calorímetros electromagnéticos, electrões e fotões interagem com o material numa sucessão de interacções: os electrões radiam fotões de Bremsstrahlung e estes criam pares de electrão-positrão originando uma cascata de electrões, positrões e fotões. A partícula inicial é destruída, mas toda a sua energia foi entretanto absorvida pelo calorímetro. As outras partículas carregadas atravessam o calorímetro sem serem detectadas ou perdendo uma parte muito pequena da sua energia.

As dimensões dos calorímetros devem ser suficientes para conter toda a cascata, que se estende tanto longitudinalmente como transversalmente à direcção da partícula inicial. O comprimento longitudinal da cascata é regulado pelo comprimento de radiação do material, definido como o comprimento ao fim do qual a energia de um electrão se reduz de um factor $e$: $(\frac{dE}{dx})_{rad} = - \frac{E}{X_0}$.

Em DELPHI existem três calorímetros electromagnéticos diferentes: a câmara de projecção de grande densidade (HPC), o calorímetro electromagnético de baixos ângulos (FEMC) e o calorímetros de telhas de baixo ângulo (STIC). Este último está situado nas duas bases do cilindro muito próximo da linha de feixe, sendo o monitor de luminosidade de DELPHI, e é, de todos os sub-detectores, aquele que permite a detecção de partículas produzidas a mais baixo ângulo. As características dos três calorímetros serão descritas com mais detalhe na secção dedicada à identificação de fotões.

O solenóide supercondutor que produz o campo magnético de DELPHI envolve a HPC. À volta do solenóide existe um cintilador de tempo de vôo (TOF) e, depois, o calorímetro hadrónico (HCAL). A presença do solenóide entre os dois calorímetros evita que as cascatas produzidas na HPC sejam detectadas parcialmente no HCAL. O HCAL estende-se ainda à região que cobre o FEMC.

As dimensões do HCAL são muito maiores do que as dos calorímetros electromagnéticos, uma vez que as cascatas hadrónicas se estendem por regiões bastante maiores. O número de massa do material utilizado deve ser também maior de forma a tornar mais eficientes as interacções fortes, em DELPHI, o ferro foi o material escolhido para o calorímetro hadrónico.

Os muões comportam-se como partículas minimamente ionizantes ($mip$) que deixam uma muito pequena percentagem de energia em qualquer destes tipos de calorímetros; assim a sua passagem só é indicada por sinais deixados em detectores específicos colocados no exterior de DELPHI: as câmaras de muões. Em princípio estas são as únicas partículas que sobrevivem até atingirem estas câmaras e são detectadas. Também os neutrinos passam as câmaras de muões mas sem sofrerem nenhuma interacção. A hermeticidade do detector é decisiva para que se tenha uma indicação de que foram produzidos neutrinos numa dada colisão.

A hermeticidade de DELPHI é bastante boa, sendo possível a detecção em mais de 90$\%$ do ângulo sólido. Embora a eficiência de detecção não seja constante, a única região totalmente desprovida de detectores é a correspondente a $\theta <$2$^\circ$ou $\theta>$178$^\circ$, onde se encontra o tubo de LEP.

A eficiência é melhor na região cilíndrica onde todos os sub-detectores têm grande resolução; nas bases do cilindro ( a região definida abaixo de 40$^\circ$ou acima de 140$^\circ$em $\theta$), a resolução é afectada pela posição lateral dos detectores. Por exemplo, a resolução com que é medido o momento de um muão de 45 GeV é $\sigma$(1/p) = 0.6$\times$ 10$^{-3}$(GeV/c)$^{-1}$ na região central do detector e 2.7$\times$ 10$^{-3}$(GeV/c)$^{-1}$ na região abaixo de 25$^\circ$em $\theta$.

As regiões de muito baixo ângulo polar ($\theta <$10$^\circ$ ou $\theta>$170$^\circ$) são as únicas totalmente desprovidas de detecção de energia hadrónica ou traços carregados (fig.4.2). No caso dos estados finais hadrónicos, a inexistência deste tipo de detecção não é muito prejudicial, já que apenas uma pequena percentagem dos quarks é emitida nesta direcção (a emissão é isotrópica) e mesmo estes podem ser parcialmente recuperados devido à grande abertura dos jactos. O problema seria sentido de forma mais séria se se verificasse para a detecção de fotões e electrões - daí que tenha sido instalado nesta região o detector STIC.

Os maiores problemas de hermeticidade são causados pelas fronteiras irregulares entre os módulos dos calorímetros electromagnéticos. Nas fronteiras entre os módulos da HPC ($\phi \sim$ 7.5$^\circ$ +(n-1)15$^\circ$(n=1,24)) as cascatas electromagnéticas não são contidas no calorímetro e parte da energia é depositada no calorímetro hadrónico. Nos locais em que estão colocados os suportes do solenóide super-condutor ($\theta \sim$ 90$^\circ$$\pm$ 1.5$^\circ$) e entre a HPC e o FEMC ($\theta \in$ [35$^\circ$,42$^\circ$] $\cup$ [138$^\circ$, 145$^\circ$]), por onde passam os cabos com os sinais produzidos pelos detectores para o exterior de DELPHI, também não existe detecção de energia electromagnética. Se no primeiro caso é possível recuperar a informação relativa a electrões e fotões pela associação da energia depositada na HCAL à energia depositada na HPC, nos dois últimos casos isso não é possível e torna-se importante ter a indicação de que passou uma partícula nessa direcção (mesmo que não seja possível medir a sua energia). Para permitir esse tipo de cobertura nestas regiões, foram colocados conjuntos de cintiladores ($taggers$) blindados com chumbo a fim de detectar electrões e fotões convertidos. Conseguiu-se assim aumentar a cobertura angular de DELPHI, ainda que não de forma completa.

Figure 4.2: Corte de DELPHI no plano $rz$. São claramente identificáveis as regioes do cilindro e das bases assim como a região dos muito baixos ângulos polares. Os problemas na hermeticidade concentram-se nas separações entre as diferentes regiões.