Event Displays. De las burbujas a los bits (II)

Los detectores modernos han producido sus resultados en un ambiente inaccesible a las cámaras de burbujas, frecuencias y densidad de partículas muy superiores. El concepto actual de un detector de partículas es la combinación de diferentes detectores cilíndricos situados alrededor del punto de choque. La colisión sucede en el eje del cilindro en el centro de este y los productos de esta colisión son registrados en las distintas partes del detector. Cada una de las partes tienes unas características diferentes y está especializada en reconocer un tipo de partículas.
En LHC tenemos dos detectores más grandes: ATLAS y CMS.  En el caso de ATLAS encontramos un detector gigante como un edificio de 5 plantas (44 metros de largo y 25 metros de diámetro), CMS por otro lado es el detector más pesado 12500 toneladas (una ballena azul llega a las 200 toneladas). Ambos tienen una estructura similar.

En la parte central más cercana a la colisión se encuentra el detector interno (Inner Tracker), este se encarga de reconstruir la posición de paso de las partículas cargadas con una precisión de centésimas de milímetro. Al igual que comentábamos para las cámaras de burbujas, el detector interno se encuentra sometido a un campo magnético de forma que las trayectorias son curvas dependiendo del momento de las partículas.

La siguiente capa es la de los calorímetros, dividida en dos : el calorímetro electromagnético y hadrónico. Su función es la de recoger la energía de las partículas. El más interno de los dos calorímetros es el electromagnético, encargado de colectar la energía de los electrones y fotones. Para esto normalmente se utilizan cristal de plomo, como el de las copas de vídrio, porque el plomo hace que los electrones y positrones radien fotones y/o creen pares electrón-positrón. Al entrar en el cristal producen una avalancha de electrones, positrones y fotones creados de la energía de la partícula original. Los electrones y positrones viajarán más rápidos que la luz en el cristal (no confundir con mas rápidos que la luz en el vacio) y por lo tanto emitirán luz Cerenkov que se recoge en la electrónica mediante unos fototubos. La cantidad de luz recogida nos dice la energía de la partícula que entró en el cristal (ver foto izquierda abajo).

Miles de toneladas de hierro enlazadas con tubos llenos de gas sirven para detectar los protones, piones y otros hadrones. Esta parte es llamada por esto ‘calorímetro hadronico’ pues su función es la de medir la energía de los hadrones. El hierro es necesario para detener a los hadrones y obtener toda la energía de los hadrones.

Las únicas partículas que consiguen atravesar las capas anteriores son los muones. En la parte más externa del detector se encuentran la cámaras de muones, cuya misión es la de detectar el paso de los muones y para reconstruir su trayectoria. Como en el caso del detector interno, también aquí se utilizan campos magnéticos para distinguir entre muones positivos o negativos y medir su momento.

Con las distintas partes que hemos enumerado tenemos que podríamos identificar todas las partículas que se formas en la colisión, por donde depositan su energía, cuanto se curvan en el campo magnético, la forma de la cascada que forman al depositar su energía, etc. Bueno, esto no es totalmente cierto, sabemos que los neutrinos interaccionan muy poco con la materia, de hecho consiguen escapar el detector sin ser detectados. Pero aun así, se puede conseguir información sobre estos. En la naturaleza se conserva energía y momento, los neutrinos escapan sin que podamos medir el suyo, pero si hacemos el balance de la energía en la colisión, conseguimos reconstruir parte de  la información del momento de los neutrinos (solo se consigue información de la componente transversal de la energía del neutrino).

En la gráfica abajo se puede ver de forma esquemática que partes del detector se utilizan para identificar cada tipo de partícula.

Después de esto ya podemos empezar a intentar analizar los Event Displays. Si hacemos el corte transversal del cilindro vemos las partes que componen el detector. Si reconstruimos la colisión encontramos cosas como las de abajo.

A la izquierda vemos una colisión bastante limpia en el detector ATLAS, vemos dos partículas que atraviesan todo el detector hasta llegar a lo más externo, así pues se trata de muones. La colisión es un candidato de bosón Z desintegrándose a dos muones. Podéis observar en la parte interna muchas partículas cargadas (lineas de colores) esto es debido a que no se produce una sola colisión, sino que se producen del orden de 20 colisiones de menor energía conjuntamente con la que estamos interesados. Estas 20 colisiones dejan también señal en el detector y hacen más difícil la reconstrucción de la colisión “principal”. En el análisis de los datos es necesario establecer filtros para deshacernos de estas colisiones.

En el gráfico de la derecha vemos una colisión en el detector de CDF, muestra un candidato a quark top. El quark top se desintegra en un bosón W y un quark b en casi el 100% de las veces. El bosón W a su vez se desintegra (en este caso) en un muon más un neutrino. Al final tenemos un muon, un b-jet, un neutrino y otro jet (que no viene de la desintegración del top pero se produce también en la colisión). Vemos como los jets provenientes de la hadronización de los quarks depositan su energía en el calorímetro hadronico y  el muon atraviesa el detector pero se detecta su trayectoria. El neutrino como comentabamos antes lo detectamos a través del balance de energía en la colisión, si tenemos neutrinos se dice que tenemos déficit de energía (Missing Energy) del que podemos conocer la dirección parcialmente, se representa por una flecha.

No es fácil en LHC interpretar los Event Displays debido a que no se produce solo una colisión cada vez. La colisión interesante está mezclada con el resto. En los aceleradores precedentes a LHC era aun posible adivinar que había sucedido en la colisión viendo estos displays, esto por desgracia ya no sucede, pero los ordenadores vienen en nuestra ayuda para conseguir filtrar y seleccionar las interacciones.