¿Un fotón deja rastro en un rastreador de silicio?

Esto es lo que es un rastreador de silicio en los detectores de partículas:

La mayoría de los detectores de partículas de silicio] 1 funcionan, en principio, dopando tiras estrechas (generalmente de alrededor de 100 micrómetros de ancho) de silicio para convertirlas en diodos, que luego se polarizan inversamente. A medida que las partículas cargadas pasan a través de estas tiras, provocan pequeñas corrientes de ionización que pueden detectarse y medirse. La disposición de miles de estos detectores alrededor de un punto de colisión en un acelerador de partículas puede dar una imagen precisa de los caminos que toman las partículas. Los detectores de silicio tienen una resolución mucho mayor en el seguimiento de partículas cargadas que las tecnologías más antiguas, como las cámaras de niebla o las cámaras de alambre. El inconveniente es que los detectores de silicio son mucho más caros que estas tecnologías más antiguas y requieren un enfriamiento sofisticado para reducir las corrientes de fuga (fuente de ruido), además de sufrir degradación con el tiempo por la radiación.

Entonces, las pistas que ves son una acumulación de puntos medidos en tiras de diodos de silicio. Tiras porque la pista cargada debe ser perturbada lo menos posible. La interacción de partículas cargadas con la materia se ioniza incluso si la distancia recorrida es de micras, porque la ionización es una interacción de baja energía del campo de la partícula cargada, por lo que se puede registrar un punto de la pista. Un fotón es neutral y la única forma en que podría ionizarse sería con una colisión frontal con los electrones de los átomos en el silicio, y lo más probable es que se produzca una producción de pares, y esto se ve a veces. Pero no se puede utilizar como detector de fotones.

Un rastreador y un detector de fotones tienen prescripciones contradictorias. El fotón necesita mucha masa para materializarse y crear una cascada que medirá su energía, y eso sucede en los calorímetros electromagnéticos de los detectores, en este caso Atlas. Tienen un material de argón líquido para detectar las cascadas cargadas generadas por los fotones de alta energía. CMS tiene cristales densos para este propósito.

Cabe señalar que las pistas cargadas también se detectan en los calorímetros electromagnéticos, pero se pueden separar de los fotones porque las pistas se miden en el rastreador y los fotones comienzan a verse en el medio del calorímetro (no en el borde).

En conclusión, no, las pistas que muestras hay que cargarlas.

Como señala Zhermes, los fotones activan detectores de radiación ionizante (de todo tipo, no solo de silicio) al generar partículas cargadas.

Los procesos por los que esto ocurre son principalmente la dispersión de electrones ya energías suficientemente altas por la producción de pares. En menor medida, también contribuye la dispersión de los núcleos. Como de costumbre, una buena referencia es el capítulo sobre "Paso de partículas a través de la materia" (enlace PDF) en el Libro de datos de partículas . La sección transversal de varios procesos se muestra en la figura 30.15 del PDB de 2012 (el número de la figura cambia ocasionalmente, pero la figura ha estado allí durante mucho tiempo)

Podría pensar que esto haría que distinguir electrones y fotones sea un desafío, especialmente en ambos generará una cascada electromagnética a partir de ahí, y tendría razón. Sin embargo, si

• tienes alta resolución espacial y energética
• la energía de la pista es lo suficientemente alta como para que la sección transversal del fotón esté dominada por la producción de pares (unos pocos MeV y más)

entonces se puede distinguir con certeza razonable. Miras la deposición de energía en los primeros$\text{g cm}^{-2}$de la pista (menos de una longitud de radiación); la mayoría de los electrones tendrán una deposición de energía de alrededor de 1 partícula ionizante mínima (MIP) en ese rango, mientras que la mayoría de los fotones exhiben 2 MIP (porque la primera interacción probablemente fue la producción de un par).

Si su resolución espacial es lo suficientemente buena y su detector lo suficientemente difuso, también podrá ver la separación entre el vértice y el inicio de la cascada de fotones, pero esto es difícil en muchos detectores. La respuesta de Anna v sugiere que esta es la etiqueta principal de fotones para ATLAS.

Creo que escuché en una charla que ATLAS también usa algunos parámetros geométricos de la lluvia en el ECAL para ayudar con el PID entre electrones y fotones, pero no puede proporcionar ninguna referencia. No estoy haciendo esos grandes detectores compuestos en este momento y no me he mantenido al tanto de los detalles.

Para responder a la pregunta del título: sí , un fotón puede dejar una firma en un detector de silicio, siempre que sea lo suficientemente energético como para ser ionizante .

Con respecto a la imagen de arriba: no creo que puedas decir, solo a partir de esta imagen, si la partícula es o no un fotón o un electrón. La razón por la que los detectores de estos dispositivos son tan complejos es que se necesitan muchos datos para determinar exactamente qué está pasando. Con suerte, un físico de partículas intervendrá con qué tipos de características se requieren para distinguir entre electrones y fotones.