¿Qué es el detector Cherenkov? – Definición

Un detector de Cherenkov es un detector de partículas, que se basa en la detección de la radiación de Cherenkov (luz visible o fotones UV). A diferencia de un contador de centelleo, la producción de luz es instantánea. Los detectores de centelleo típicos tienen un tiempo de caída medido en microsegundos, mientras que la radiación de Cherenkov es casi instantánea y con un equipo de procesamiento de pulso rápido se puede medir en picosegundos. Los contadores de Cherenkov se utilizan principalmente para la identificación de partículas , es decir, para la determinación de masas de partículas. Los contadores de Cherenkov contienen dos elementos principales:

• un radiador a través del cual pasa la partícula cargada,
• un fotodetector (por ejemplo, un tubo fotomultiplicador – PMT ).

La radiación de Cherenkov, que se produce en el radiador, es radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada (como un electrón) se mueve a través de un medio dieléctrico más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio . Las partículas que exceden la velocidad de fase de la luz dan como resultado una polarización a lo largo del eje de movimiento creando un campo dipolo. Cuando este campo se colapsa, se emite un pulso electromagnético (radiación de Cherenkov) en dirección hacia adelante. Es similar a la onda de proa producida por un barco que viaja más rápido que la velocidad de las ondas de agua. La radiación de Cherenkov se produce solo si la velocidad de la partícula es mayor que la velocidad de fase de la luz en el material. Incluso a altas energías la energía perdidaLa radiación de Cherenkov es mucho menor que la de otros mecanismos (colisiones, bremsstrahlung). Lleva el nombre del físico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov , quien compartió el Premio Nobel de física en 1958 con Ilya Frank e Igor Tamm por el descubrimiento de la radiación de Cherenkov, realizada en 1934.

La radiación de Cherenkov se produce comúnmente en materiales dieléctricos a través de electrones Compton o electrones y positrones de producción en pares. La intensidad de la luz producida por este proceso es mucho menor que la de la luminiscencia (la base para la operación del detector de centelleo) que requiere un equipo de detección de fotones ópticos más sensible, como los tubos foto-multiplicadores de baja luz (PMT). Los contadores de Cherenkov se pueden clasificar como imágenes o tipos de umbral , dependiendo de si utilizan o no la información del ángulo de Cherenkov (θ). En el caso simple de un detector de umbralLa energía umbral dependiente de la masa permite la discriminación entre una partícula más ligera (que irradia) y una partícula más pesada (que no irradia) de la misma energía o momento. Los contadores de imágenes se pueden usar para rastrear partículas e identificarlas. Aunque los dispositivos que usan radiación Cherenkov a menudo se consideran detectores de identificación de partículas (PID), en la práctica, se usan ampliamente en una gama mucho más amplia de aplicaciones; incluso:

• contadores rápidos de partículas
• identificación de partículas hadrónicas
• Detectores de seguimiento que realizan reconstrucción completa de eventos.

Tipos de detectores Cherenkov – Ejemplos

• RICO. Los detectores prácticos de múltiples pistas de Cherenkov de imágenes de anillo (genéricamente llamados contadores RICH) son un desarrollo más reciente. En un detector RICH, se produce un cono de luz Cherenkov cuando una partícula cargada de alta velocidad atraviesa un medio adecuado, a menudo llamado radiador. Este cono de luz se detecta en un detector de fotones plano sensible a la posición, que permite reconstruir un anillo o disco, cuyo radio es una medida para el ángulo de emisión de Cherenkov. Por ejemplo, el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones utiliza dos detectores RICH para diferenciar entre piones y kaons.
• Super-Kamiokande. Super-Kamiokande es un observatorio subterráneo de neutrinos, que utiliza grandes contadores de agua Cherenkov para detectar neutrinos de alta energía para buscar la descomposición de protones, estudiar neutrinos solares y atmosféricos, y vigilar las supernovas en la Vía Láctea. Consiste en un tanque cilíndrico de acero inoxidable de aproximadamente 40 m (131 pies) de altura y diámetro que contiene 50,000 toneladas de agua ultrapura. Montados en una superestructura interior hay unos 13,000 tubos fotomultiplicadores que detectan la luz de la radiación de Cherenkov.