Identificação de Fotões e Calorímetros Electromagnéticos

A identificação de fotões é uma tarefa delicada uma vez que se baseia apenas nos sinais produzidos pelos calorímetros electromagnéticos (que não distinguem entre fotões e electrões) e na ausência de traços carregados. A detecção é ainda complicada pelas interacções electromagnéticas que ocorrem antes dos calorímetros, nomeadamente as conversões. A reconstrução da energia de cada partícula num calorímetro é feita através da soma das várias deposições de energia vizinhas. Assume-se que a energia foi depositada por um fotão no caso de não existirem trajectórias de partículas carregadas que possam ser associadas a esta posição. Por outro lado, podem existir deposições de energia com uma estrutura interna que indique a presença de dois fotões, este é o sinal produzido por um pião neutro que decai para um par de fotões. Assim, para além de boa resolução em energia, os calorímetros devem também fornecer informação sobre a posição dos sinais, para que se possa determinar quais as deposições de energia que devem ser associadas a uma mesma partícula e se possa reconstruir, sem mais informação, a trajectória de um fotão emitido a partir do ponto de interacção.

As principais características dos três calorímetros electromagnéticos de DELPHI são descritas a seguir.

A câmara de projecção de alta densidade (HPC) consiste em 6 aneis, cada um com 24 módulos, montados concentricamente em torno da linha de feixe, com raios entre 160 cm e 208 cm. Cada um dos módulos funciona como uma pequena câmara de projecção temporal com um volume gasoso cortado por 10 planos de chumbo (o material passivo). O chumbo serve não só para induzir as interacções, mas também para fornecer o campo eléctrico para os electrões de ionização. A espessura total para conversão é de 18 $X_0/\sin{\theta}$. A segmentação transversal e longitudinal permite a reconstrução das cascatas nas três dimensões, obtendo-se uma precisão ângular de $\pm$ 1.0 mrad em $\theta$ e de $\pm$ 1.7 mrad em $\phi$ na direcção da partícula inicial. A precisão relativa na energia é de $\frac{\sigma(E)}{E}=\frac{0.33}{\sqrt{E}}\oplus 0.04$ (E em GeV).

O calorímetro electromagnético de baixo ângulo (FEMC) é um calorímetro homogéneo de $leadglass$. As suas duas partes estão colocadas nas duas bases de DELPHI, a 284 cm do ponto de interacção, e cada uma delas é constituída por 4532 blocos piramidais. A luz Cerenkov emitida no $leadglass$ é detectada por um tríodo especialmente desenhado para operar dentro do campo magnético intenso existente em DELPHI. A profundidade total de cada bloco corresponde a 20 $X_0$. Obtém-se assim uma precisão média de 0.5 cm na reconstrução de cada sinal e uma precisão relativa em energia de $\frac{\sigma(E)}{E}=\frac{0.12}{\sqrt{E}}\oplus 0.03$ (E em GeV).

O calorímetro de telhas de baixo ângulo (STIC) consiste em dois cilindros, colocados em cada lado de DELPHI a 200 cm do ponto de interacção mas junto à linha de feixe, cobrindo a região de muito baixos ângulos polares. Trata-se de um calorímetro de amostragem de chumbo-cintilador. Cada meio cilindro tem 49 camadas de 3 mm de cintilador e 3.4 mm de material passivo, correspondendo a um total de cerca de 27 $X_0$. Os planos de cintilador são divididos em 10 aneis e 16 sectores que definem uma estrutura em torres projectiva para o ponto de interacção; a estrutura dos planos é tal que a hermeticidade é completa. A resolução radial varia entre 0.25 mm e 1.20 mm, e a resolução em energia é de $\frac{\sigma(E)}{E}=\frac{0.135}{\sqrt{E}}\oplus 0.02$ (E em GeV).

Os fotões atravessam uma quantidade significativa de material antes de serem detectados nos calorímetros electromagnéticos e é por isso provável que exista uma taxa significativa de conversões. Na região cilíndrica de DELPHI o material concentrado na região coberta pela HPC corresponde a $\sim$ 0.8 $X_0/\sin{\theta}$, o que faz com que cerca de 50$\%$ dos fotões se convertam antes de ser detectados. 7$\%$ destes fotões são detectados como pares de electrões na TPC, mas a maior parte deles converte-se já numa região em que a detecção de traços carregados é limitada (na parede exterior da TPC ou dentro do RICH). O par originado na conversão mantém a direcção do fotão e tem normalmente um pequeno ângulo de abertura, a energia total reconstruída para o fotão convertido é degradada apenas pelo facto que os electrões perdem mais energia nas interacções com os gases. Os problemas causados pela conversão de fotões são mais evidentes no FEMC: o material atravessado antes da detecção é não só maior (cerca de 2$X_0$), mas também mais afastado do detector, implicando maiores distâncias entre as energias depositadas pelo par.

Os fotões detectados pelo STIC não atravessam nenhum detector massivo, mas as conversões ocorrem por interacção com o próprio tubo de LEP (já que a distância percorrida no material do tubo é proporcional ao co-seno do ângulo polar) ou, mais provavelmente, com caixas de alumínio que foram colocadas nesta região com as fontes de LASER utilizadas na calibração da TPC.

As características do STIC foram melhoradas pela adição de dois sistemas di-ferentes de detecção. A figura 4.3 é uma representação esquemática deste conjunto.

A projectividade do STIC impede a reconstrução da direcção da partícula inicial, a não ser que se assuma que ela partiu do ponto de interacção, dificultando a rejeição de electrões e positrões que sejam deflectidos na direcção de DELPHI antes da interacção (por terem uma energia diferente da generalidade do trem, o que faz com que não sejam bem controlados pelos quadropolos que forçam a colisão entre os dois feixes) e criando por isso um fundo importante na medida da luminosidade. Para permitir uma melhor reconstrução de trajectórias originadas no ponto de interacção substituiram-se duas das camadas de cintilador por planos de faixas de silicio semi-condutor. Utilizando estas duas camadas, colocadas a 4 $X_0$ e 7.4 $X_0$, a reconstrução da detecção pode ser feita com uma precisão de 10 mrad. Cada faixa de silicio tem uma espessura de 300 $\mu$m e cobre 22.5$^\circ$em $\phi$; A resolução radial é de 1.712 mm no primeiro plano e de 1.754 mm no segundo plano. A cobertura radial começa a 71.5 mm (73.0 mm) da linha de feixe e estende-se até 174.2 mm (178.3 mm).

Figure 4.3: Representação esquemática de um dos lados do calorímetro STIC. Em frente do STIC estão colocados os dois planos cintiladores do contador de VETO.

O segundo detector adicionado ao STIC é um conjunto de contadores de VETO [13]. O conjunto (VETO) consiste em dois planos de cintilador colocados em frente de cada lado do STIC a $\pm$ 201-205 cm do ponto de interacção. O cintilador produz um sinal à passagem de partículas carregadas com um tempo de resposta de 100 ns. Assim, permite, por um lado, determinar qual das duas nuvens interagiu e, por outro, distinguir fotões de electrões e positrões. No total, existem 64 cintiladores trapezóidais de 10 mm, que se organizam em dois planos para cada lado do STIC, segundo a mesma segmentação angular e cobrindo distâncias radiais entre 86 mm e 379 mm em relação à linha de feixe. Os dois planos são simétricos entre si e irregulares, fazendo com que a distância entre os dois planos varie entre zero e 2 cm, dependendo do sector, existindo uma pequena sobreposição angular entre dois sectores adjacentes. A presença de dois planos serve para criar redundância e permite reduzir a contaminação de sinais provenientes de partículas carregadas, produzidas no desenvolvimento da cascata no STIC e emitidas em direcção ao VETO.

O Capítulo 6 é dedicado ao estudo da eficiência do contador de VETO na a detecção de partículas carregadas e na a separação entre fotões e electrões no STIC.

1000