Wie können Hochenergiedetektoren zwischen memem_{e} und mμmμm_{\mu} unterscheiden?

Die Identifizierung von Myonen und Elektronen ist in der Tat ein schwieriges Problem für die Experimente im LHC. Zum Beispiel muss man Elektronen von falschen Myonen unterscheiden, die ein elektronenähnliches Signal hinterlassen, auch wenn es zwei verschiedene Teile gibt, an denen diese Teilchen ihre Energien abgeben können.

Am LHC gibt es zwei universelle Detektoren, nämlich CMS und ATLAS, die von innen nach außen als zwiebelartige Struktur aufgebaut sind. Beide haben spezialisierte Teile, um Myonen zu erkennen, die im Grunde einige Kammern in der äußersten Schicht sind.

Zunächst einmal ist das Konzept eines "Teilchens" im Detektor aufgrund der physikalischen Begrenzung der Auflösung und Datenerfassung nicht offensichtlich oder natürlich.

Die Rohdaten des Detektors sind im Wesentlichen ein Array von Energiedepots in den Pixeln der Kalorimeter oder Streifen der Detektoren, das keine Informationen darüber gibt, welches Teilchen welches ist. Die Physiker müssen die Teilchen mit einigen Algorithmen (wie Particle-Flow) und Schnitten (Auswahl eines Wertebereichs für Energie, Impuls, Winkel, Pseudoschnelligkeit etc.) rekonstruieren . Einem Teilchen muss ein Bündel von Energiedepots zugeordnet werden, es kann aber auch durch Hintergrundrauschen oder andere störende Energiedepots anderer Teilchen verunreinigt werden.

Es gibt also mehrere Tags für jeden Myonkandidaten, die miteinander konsistent sein müssen. Zum Beispiel gibt es Kalo-Myonen , rekonstruierte Teilchensignale, die im elektromagnetischen Kalorimeter nachgewiesen werden (wo auch Elektronen auftauchen). Es gibt eigenständige Myonen , die nur in den Myonenkammern nachgewiesen werden. Es gibt Tracker-Myonen , die in den Trackern detektiert und mit den Myonentreffern in den Kammern abgeglichen werden. Es gibt auch gefälschte Myonen , die tatsächlich geladene Hadronen sind, die im Kalorimeter zu sehen sind, aber irreführend mit den Myonentreffern in den Kammern übereinstimmen.

Man muss also den Impuls usw. angemessen reduzieren, um diese Fehlanpassungen zu beseitigen, die vom Detektor, der Art der Identifizierung (eigenständig, Calo, Tracker usw.) und der Energieskala abhängen. Es gibt lose Schnitte und enge Schnitte, die verwendet werden könnten, je nachdem, welche Analyse oder Topologie des Prozesses in Frage kommt.

Der übliche Weg, ein Elektron gegenüber einem Myon in einem Hochenergiedetektor zu identifizieren, ist über ihre Wechselwirkungen mit Materie: - Ein Elektron gibt seine gesamte Energie schnell in einen "elektromagnetischen Schauer" ab und stoppt schnell - Ein Myon interagiert minimal und geht weit durch den Stoff.

Auf Bildern sehen diese so aus:

Beachten Sie, dass wir nicht versuchen, die Ruhemasse des Elektrons oder Myons auf diese Weise zu messen . Wir wissen, welche das sind. Wir versuchen nur zu identifizieren, um welche Art von Teilchen es sich bei einer bestimmten Spur handelt, und liefern dann die richtige Masse für die Berechnungen.

Welche Annäherungen Theoretiker machen, hat keinen Einfluss auf Detektoren.

Die Krümmung einer Spur in einem Magnetfeld misst die Ladung geteilt durch den Impuls, nicht die Masse:

$$\frac 1 r \propto \frac q p$$

Natürlich:

$$p = \gamma m v$$

aber alles rückt näher$c$. Tatsächlich bewegt sich alles mit Lichtgeschwindigkeit, was das Track-Timing und die Positionsauslöser (Time-of-Flight) betrifft.

Trotzdem gibt es Geschwindigkeitsschwelleneffekte, wie den Cherenkov-Effekt und Übergangsstrahlung, die 2 Teilchen mit gleichem Impuls aufnehmen und Elektronen von Myonen unterscheiden kann; bei LHC-Energien ist dies jedoch nicht immer praktikabel, da beide Geschwindigkeiten haben können, die den Schwellenwert überschreiten.

Betreten Sie das Kalorimeter. Dies ist ein Bündel aus Bleiglas (vgl. transparentes Blei). Bob Jacobsens Antwort erklärt diese. Die einzige zusätzliche Information ist, dass die Leptonen über Bremsstrahlung und Paarproduktion interagieren, deren Wirkungsquerschnitte Potenzen von enthalten$1/m$, so dass die Elektronen ihre ganze Energie abgeben und Myonen eindringen.

Partikel, wie sie im CMS-Experiment am LHC erwartet werden

Elektronen und Myonen hinterlassen also völlig unterschiedliche Signaturen, obwohl sie aufgrund ihrer hohen Energie eine ähnliche Spur im Tracking-Detektor hinterlassen können. Elektronen werden im elektromagnetischen Kalorimeter absorbiert, und Myonen gehen durch, wobei ihre elektromagnetischen Wechselwirkungen aufgrund ihrer großen Masse minimal sind, und hinterlassen ein Spursignal, das angepasst werden kann.