¿Cómo pueden los detectores de alta energía distinguir entre memem_{e} y mμmμm_{\mu}?

La identificación de muones y electrones es de hecho un problema difícil para los experimentos en el LHC. Por ejemplo, es necesario distinguir los electrones de los muones falsos que dejan una señal similar a la de un electrón, incluso si hay dos partes diferentes en las que estas partículas pueden depositar sus energías.

En el LHC, hay dos detectores de uso general, a saber, CMS y ATLAS, que están diseñados como una estructura similar a una cebolla desde el interior hacia el exterior. Ambos tienen partes especializadas para detectar muones, que son básicamente algunas cámaras en la capa más externa.

En primer lugar, el concepto de "partícula" en el detector no es obvio ni natural debido a la limitación física de la resolución y la adquisición de datos.

Los datos brutos del detector son esencialmente una matriz de depósitos de energía en los píxeles de los calorímetros o tiras de los detectores que no brindan ninguna información sobre qué partícula es cuál. Los físicos necesitan reconstruir las partículas usando algunos algoritmos (como Particle-Flow) y cortes (selección de un rango de valores para energía, momento, ángulos, pseudo-rapidez, etc.). Es necesario asociar un montón de depósitos de energía a una partícula, pero también podría estar contaminado por ruido de fondo u otros depósitos de energía de interferencia de otras partículas.

Por lo tanto, hay varias etiquetas para cada candidato de muón que deben ser coherentes entre sí. Por ejemplo, hay calomuones que son señales de partículas reconstruidas que se detectan en el calorímetro electromagnético (donde también aparecen los electrones). Hay muones independientes que solo se detectan en las cámaras de muones. Hay muones rastreadores que se detectan en los rastreadores y coinciden con los impactos de muones en las cámaras. También hay muones falsos que en realidad son hadrones cargados que se ven en el calorímetro pero que coinciden engañosamente con los impactos de muones en las cámaras.

Entonces, uno necesita hacer cortes apropiados en el impulso, etc., para eliminar esos desajustes que dependen del detector, tipo de identificación (autónomo, calo, rastreador, etc.) y escala de energía. Hay cortes sueltos y cortes ajustados que podrían usarse según el análisis o la topología del proceso en cuestión.

La forma habitual de identificar un electrón frente a un muón en un detector de alta energía es a través de sus interacciones con la materia: - un electrón descargará toda su energía rápidamente en una "lluvia electromagnética" y se detendrá rápidamente - un muón interactuará mínimamente y llegará lejos a través de la materia.

En las imágenes, estos se ven como:

Tenga en cuenta que no tratamos de medir la masa en reposo del electrón o muón de esta manera. Sabemos cuáles son esos. Solo tratamos de identificar qué tipo de partícula es una pista en particular y luego proporcionamos la masa correcta para los cálculos.

Cualesquiera que sean las aproximaciones que haga el teórico, no afectará a los detectores.

La curvatura de una pista en un campo magnético mide la carga dividida por el momento, no la masa:

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

Por supuesto:

$$p = \gamma m v$$

pero todo se mueve cerca$c$. De hecho, en lo que respecta a la sincronización de la pista y los disparadores de posición (tiempo de vuelo), todo se mueve a la velocidad de la luz.

Sin embargo, existen efectos de umbral de velocidad, como el efecto Cherenkov y la radiación de transición que pueden tomar 2 partículas de igual momento y distinguir los electrones de los muones; sin embargo, a energías del LHC eso no siempre es práctico, ya que ambos pueden tener velocidades que excedan el umbral.

Introduzca el calorímetro. Este es un manojo de vidrio emplomado (cf, plomo transparente). La respuesta de Bob Jacobsen explica esto. La única información adicional es que los leptones interactúan a través de bremsstrahlung y producción de pares, cuyas secciones transversales contienen poderes de$1/m$, así los electrones descargan toda su energía y penetran los muones.

Partículas como se esperaba ver en el experimento CMS en LHC

Por lo tanto, los electrones y los muones dejan firmas completamente diferentes, aunque debido a la alta energía pueden dejar un rastro similar en el detector de seguimiento. Los electrones son absorbidos en el calorímetro electromagnético, y los muones pasan, sus interacciones electromagnéticas son mínimas debido a su gran masa, dejando una señal de seguimiento que se puede ajustar.