Hinterlässt ein Photon Spuren in einem Silizium-Tracker?

Hier ist, was ein Silizium-Tracker in Teilchendetektoren ist:

Die meisten Siliziumteilchendetektoren] 1 funktionieren im Prinzip, indem sie schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen dotieren, um sie zu Dioden zu machen, die dann in Sperrichtung vorgespannt werden. Wenn geladene Teilchen diese Streifen passieren, verursachen sie kleine Ionisationsströme, die nachgewiesen und gemessen werden können. Die Anordnung von Tausenden dieser Detektoren um einen Kollisionspunkt in einem Teilchenbeschleuniger kann ein genaues Bild davon liefern, welche Bahnen Teilchen nehmen. Siliziumdetektoren haben eine viel höhere Auflösung bei der Verfolgung geladener Teilchen als ältere Technologien wie Nebelkammern oder Drahtkammern. Der Nachteil ist, dass Siliziumdetektoren viel teurer sind als diese älteren Technologien und eine ausgeklügelte Kühlung erfordern, um Leckströme (Rauschquelle) zu reduzieren, und im Laufe der Zeit durch Strahlung beeinträchtigt werden.

Die Spuren, die Sie sehen, sind also eine Ansammlung von Punkten, die auf Streifen von Siliziumdioden gemessen wurden. Strips, weil die geladene Strecke so wenig wie möglich gestört werden soll. Die Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie wird ionisiert, selbst wenn die zurückgelegte Entfernung Mikrometer beträgt, da die Ionisation eine Wechselwirkung des Felds des geladenen Teilchens mit niedriger Energie ist, wodurch ein Punkt der Spur aufgezeichnet werden kann. Ein Photon ist neutral und der einzige Weg, wie es ionisieren könnte, wäre ein Frontalzusammenstoß mit den Elektronen der Atome im Silizium, und höchstwahrscheinlich würde eine Paarbildung stattfinden, und dies wird manchmal beobachtet. Aber es kann nicht als Photonendetektor verwendet werden.

Ein Tracker und ein Photonendetektor haben widersprüchliche Vorschriften. Das Photon braucht viel Masse, um sich zu materialisieren und eine Kaskade zu erzeugen, die seine Energie misst, und das geschieht in den elektromagnetischen Kalorimetern der Detektoren, in diesem Fall Atlas. Sie haben ein flüssiges Argonmaterial zum Nachweis der geladenen Kaskaden, die von den hochenergetischen Photonen erzeugt werden. CMS hat zu diesem Zweck dichte Kristalle.

Es ist zu beachten, dass geladene Spuren auch in den elektromagnetischen Kalorimetern erfasst werden, aber von den Photonen getrennt werden können, da die Spuren im Tracker gemessen werden und die Photonen in der Mitte des Kalorimeters (nicht am Rand) zu sehen sind.

Abschließend, nein, die Tracks, die Sie zeigen, müssen kostenpflichtig sein.

Wie Zhermes feststellt, lösen Photonen Detektoren für ionisierende Strahlung (aller Art, nicht nur Silizium) aus, indem sie geladene Teilchen erzeugen.

Die Prozesse, durch die dies auftritt, sind hauptsächlich Streuung von Elektronen und bei ausreichend hohen Energien durch Paarbildung. In geringerem Maße trägt auch die Streuung von Kernen dazu bei. Eine gute Referenz ist wie immer das Kapitel "Passage of Particles Through Matter" (PDF-Link) im Particle Data Book . Der Querschnitt für verschiedene Prozesse ist in Abbildung 30.15 des PDB 2012 dargestellt (Abbildungsnummern ändern sich gelegentlich, aber die Abbildung ist schon lange dort).

Sie könnten denken, dass dies die Unterscheidung von Elektronen und Photonen zu einer Herausforderung machen würde – insbesondere, wenn beide von dort aus eine elektromagnetische Kaskade erzeugen – und Sie hätten Recht. Wie auch immer, wenn

• Sie haben eine hohe räumliche und energetische Auflösung
• Die Energie der Spur ist hoch genug, dass der Photonenquerschnitt von der Paarproduktion dominiert wird (einige MeV und mehr).

dann mit hinreichender Sicherheit unterschieden werden kann. Sie sehen sich die Energieabgabe bei den ersten paar an$\text{g cm}^{-2}$der Strecke (weniger als eine Strahlungslänge); Die meisten Elektronen haben in diesem Bereich eine Energiedeposition um 1 minimales ionisierendes Teilchen (MIP), während die meisten Photonen 2 MIP aufweisen (weil die erste Wechselwirkung wahrscheinlich eine Paarproduktion war).

Wenn Ihre räumliche Auflösung gut genug und Ihr Detektor diffus genug ist, können Sie möglicherweise auch die Trennung zwischen dem Scheitelpunkt und dem Beginn der Kaskade für Photonen sehen, aber dies ist bei vielen Detektoren schwierig. Die Antwort von Anna v legt nahe, dass dies das primäre Photon-Tag für ATLAS ist.

Ich glaube, ich habe in einem Vortrag gehört, dass ATLAS auch einige geometrische Parameter des Schauers in der ECAL verwendet, um bei der PID zwischen Elektronen und Photonen zu helfen, kann aber keine Referenz liefern. Ich mache diese großen zusammengesetzten Detektoren im Moment nicht und bin mit den Details nicht auf dem Laufenden geblieben.

Um die Titelfrage zu beantworten: ja --- ein Photon kann eine Signatur in einem Siliziumdetektor hinterlassen, solange es energiereich genug ist, um zu ionisieren .

In Bezug auf das obige Bild: Ich glaube nicht, dass Sie allein anhand dieses Bildes erkennen können, ob das Teilchen ein Photon oder ein Elektron ist oder nicht. Der Grund, warum die Detektoren auf diesen Geräten so komplex sind, liegt darin, dass Sie viele Daten benötigen, um genau zu bestimmen, was vor sich geht. Hoffentlich meldet sich ein Teilchenphysiker zu Wort, welche Arten von Eigenschaften erforderlich sind, um zwischen Elektronen und Photonen zu unterscheiden.