密閉型検出器

粒子物理学において、密閉型検出器（ 4π検出器とも呼ばれる）は、衝突型加速器内の亜原子粒子間の相互作用によって生じる可能性のあるすべての崩壊生成物を観測するために設計された粒子検出器であり、相互作用点の周囲を可能な限り広い領域で覆い、複数の種類のサブ検出器を組み込んでいる。これらは通常、ほぼ円筒形で、異なる種類の検出器が同心円状に互いに巻き付けられている。各検出器の種類は特定の粒子に特化しているため、ほぼすべての粒子を検出して識別できる。このような検出器は、密閉により粒子の動きがチャンバーの境界で停止し、それ以上移動しないように構築されているため、「密閉型」と呼ばれる。^{[1] 「4π検出器」という名前は、このような検出器が相互作用点の周囲の}立体角4πステラジアンのほぼすべてをカバーするように設計されていることに由来している。衝突型加速器物理学で使用される標準座標系では、これは方位角（）と擬似ラピディティ（ ）の全範囲をカバーすることに相当する。実際には、ある閾値を超える疑似ラピディティを持つ粒子は、ビームラインにほぼ平行になりすぎて検出器を通り抜けてしまうため、測定できません。観測可能な疑似ラピディティ範囲のこの制限は、検出器の許容範囲(つまり、観測可能な位相空間の範囲) の一部を形成します。大まかに言えば、密閉型検出器の主な設計目的は、許容範囲を最大化すること、つまり、検出器が可能な限り広い位相空間領域を測定できるようにすることです。 ${\displaystyle -\pi \leq \phi \leq \pi }$${\displaystyle |\eta |\geq 0}$

最初のそのような検出器はスタンフォード線形加速器センターのマーク Iであり、その基本設計はその後のすべての衝突型検出器に使用されました。マーク I が建造される前は、ほとんどの粒子崩壊生成物は比較的低い横方向運動量 (つまり、ビームラインに垂直な運動量) を持つと考えられていたため、検出器はこの領域のみをカバーできました。しかし、マーク I とその後の実験で、衝突型加速器でのほとんどの基本的な粒子相互作用は非常に大きなエネルギー交換を伴い、したがって大きな横方向運動量は珍しくないことがわかりました。このため、広い角度のカバレッジは現代の素粒子物理学にとって非常に重要です。

最近の密閉型検出器としては、フェルミ国立加速器研究所のテバトロン加速器のCDFおよびDØ検出器、およびCERN のLHCのATLASおよびCMS検出器があります。これらの装置は汎用検出器であるため密閉構造になっており、高エネルギー物理学の幅広い現象を研究することができます。より特殊な検出器は必ずしも密閉構造ではありません。たとえば、LHCb は前方 (高擬似ラピディティ) 領域のみをカバーしますが、これはその物理プログラムにとって最も関心の高い位相空間領域に対応するためです。

密閉型検出器には、3 つの主要コンポーネントがあります。内側から外側へ、1 つ目はトラッカーで、これは磁場内で曲がる荷電粒子の運動量を測定し、次に 1 つ以上のカロリメータがあり、これは高密度物質に吸収されるほとんどの荷電粒子と中性粒子のエネルギーを測定し、ミューオンシステムはカロリメータで阻止されずに検出できる 1 種類の粒子を測定します。各コンポーネントには、いくつかの異なる特殊なサブコンポーネントがある場合があります。

検出器の磁場は、ローレンツ力によって粒子をその運動に垂直な方向に加速し、粒子を回転させます。追跡システムは、磁場を通過する荷電粒子が描くらせんを、通常はシリコン などの検出材料の細かく分割された層内に空間的に位置付けることでプロットします。粒子の曲率半径は、ビームに垂直な運動量 (つまり、横方向の運動量または) に比例し、次の式に従います( は粒子の電荷、は磁気誘導)。一方、ビーム軸方向へのドリフトの度合いによって、その方向の運動量が決まります。 ${\displaystyle R}$${\displaystyle p_{T}}$${\displaystyle p_{T}=qBR}$${\displaystyle q}$${\displaystyle B}$

カロリメータは粒子を減速させ、そのエネルギーを物質に吸収することで、そのエネルギーを測定することができます。カロリメータは、電磁的に相互作用する粒子の吸収に特化した電磁カロリメータと、強い核力を介して相互作用するハドロンを検出できるハドロンカロリメータの2種類に分けられます。特に重い中性粒子を検出するには、ハドロン検出器が必要です。

既知の安定粒子のうち、ミューオンとニュートリノだけが、エネルギーの大部分またはすべてを失わずにカロリメータを通過します。ニュートリノは、ハドロン物質 (検出器の材料など) との相互作用断面積が非常に小さいため、衝突実験で直接観測することはできません。ニュートリノの存在は、イベント内の他のすべての粒子が考慮された後に計算される、いわゆる「失われた」(横方向) エネルギーから推測する必要があります。ただし、ミューオン(電荷を持つ) は、カロリメータの外側にある追加の追跡システムによって測定できます。

ほとんどの粒子は、各検出器サブシステムに残された信号の固有の組み合わせを持っているため、異なる粒子を識別できます。たとえば、電子は帯電しており、電磁的に相互作用するため、トラッカーによって追跡され、そのエネルギーのすべてを (電磁) カロリメータに蓄積します。対照的に、光子は中性であり、電磁的に相互作用するため、トラックを残さずにカロリメータにエネルギーを蓄積します。

• このような検出器の詳細については、ATLAS 実験を参照してください。
• Compact Muon Solenoid では、同様の別の検出器のわかりやすい説明が載っています。