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Un esperimento di fisica delle alte energie in genere è costituito da due componenti cruciali: un acceleratore di particelle e un rivelatore.
Il compito dell'acceleratore è quello di produrre particelle di alta energia. In generale in un collisore le particelle, accelerate grazie all'utilizzo di opportuni campi elettromagnetici, vengono fatte collidere con altre particelle. Dalle collisioni ad alta energia vengono prodotte altre particelle che in genere decadono in molte altre particelle di energia più bassa.
Il compito del rivelatore è quello di registrare le informazioni sulle particelle prodotte in seguito alla collisione. Un tipico rivelatore di particelle consiste di vari sottorivelatori, oguno dei quali effettua un tipo di misura. In generale le particelle prodotte dalla collisione attraversano e interagiscono con i vari sottorivelatori e i risultati di queste interazioni vengono opportunamente registrati.
La maggior parte delle particelle prodotte in una collisione hanno una vita molto breve, e decadono prima di raggiungere il rivelatore. Il rivelatore osserva solo le particelle più stabili prodotte alla fine della catena di decadimento - comunemenete dette particelle dello stato finale. Queste particlle sono elettroni, muoni, fotoni, pioni, kaoni carichi o protoni. Le particelle iniziali direttamente prodotte dalla collisione sono ricostruite basandosi sulle misure effettuate sulle particelle dello stato finale.
La maggior parte dei rivelatori ha elementi in comune. Il rivelatore di tracce, immerso in un campo magnetico, permette di effettuare misure di posizione, carica e impulso delle particelle cariche. Il calorimentro permette di effettuare misure dell'energia rilasciata e della posizione sia per particelle cariche che neutre. Entrambi i sottosistemi contribuiscono all'identificazione delle particelle. Alcuni esperimenti hanno anche altri sottorivelatori che permettono l'identificazione delle particelle.
Bock e Vasilescu hanno scritto una enciclopedia online che descrive i termini usualmente utilizzati nella fisica delle alte energie: CERN Particle Detector BriefBook.
L'esperimento BaBar utilizza due acceleratori: l'acceleratore lineare di SLAC (linac) e l'anello di accumulazione PEP-II.
L'acceleratore lineare viene utilizzato come iniettore: accelera i fasci di elettroni e di positroni all'energia richiesta, e li inietta negli anelli di accumulazione di PEP-II.
PEP-II è costituito da due anelli di accumulazione, uno ad alta energia (High Energy Ring, HER) per il fascio di elettroni da 9.0 GeV, e uno a bassa energia (Low Energy Ring, LER) per il fascio di positroni da 3.1 GeV. I due fasci si muovono in direzioni opposte e vengono fatti collidere nel punto di interazione (Interaction Point, IP) dove è situato il rivelatore BaBar che registra gli stati finali dei prodotti della collisione.
Nel riferimento del centro di massa, le energie della collisioni sono pari all'energia di risonanza della particella Upsilon(4S). Questo fa si' che le Upsilon(4S) vengano prodotte con frequenza molto elevata. Il mesone Upsilon(4S) decade istantaneamente in due mesoni B, le particelle che principalmente, ma non solo, interessano la collaborazione BaBar. La massa della Upsilon(4S) è circa il doppio della massa di un mesone, quindi nel riferimento del centro di massa, i mesoni B sono prodotti quasi fermi. Per il fatto che le energie dei fasci di positroni ed elettroni sono diverse tra loro nel riferimento solidale con il laboratorio, che differisce da quello del centro di massa, i mesoni B hanno impulso non nullo e si muovono lungo la direzione dei fasci. Questo permette ai due mesoni B di viaggiare per una distanza misurabile, prima di decadere in altre particelle. La possibilità di effettuare misure della distanza tra i punti in cui decadono i due mesoni B è molto importante in BaBar per poter effettuare misure di violazione di CP.
Il rivelatore BaBar è costituito da 5 sottorivelatori. Dal più vicino all'IP al più lontano:
Le seguenti sezioni descrivono in dettaglio i vari sottorivelatori che costituiscono l'esperimento BaBar. Per informazioni generali sui tipi di sottorivelatori, si può consultare il CERN BriefBook.
Un rivelatore di vertice è posizionato generalmente il più vicino possibile al punto di collisione (IP). Il suo ruolo principale è quello di misurare con grande precisione la posizione delle tracce in prossimita' dell'IP. La maggior parte dei rivelatori di vertice sono dispositivi a semiconduttori (silicio), perché questi permettono di raggiungere ottime risoluzioni sia in energia che in posizione e inoltre permettono di avere risposte in uscita molto veloci.
In BaBar il Silicon Vertex Tracker (SVT) è il sottorivelatore più interno, ed è il solo tracciatore presente entro il volume del tubo di supporto (il tubo di supporto è una struttura di 20cm di raggio, che sostiene il tubo a vuoto in cui corrono i fasci). L'SVT è costituito da 5 strati di rivelatori di silicio a simmetria cilindrica con microstrip su entrambe le facce dei wafers (double-sided silicon microstrip detectors). Il compito principale dell'SVT è quello di ottenere misure precise della posizione (z,r,phi) delle tracce cariche. In aggiunta, l'SVT permette di effettuare la tracciatura delle particlle con impulso molto basso e che non riescono a raggiungere il tracciatore principale (la camera a deriva, DCH). Le informazioni dell'SVT e della DCH vengono combinate per fornire informazioni molto precise sull'angolo di produzione delle tracce, e del dE/dx, utile per la identificazione delle particelle.
Una misura particolarmente importante, possibile in BaBar solo grazie alla presenza dell'SVT, è quella della distanza tra i vertici di decadimento dei due mesoni B. Questa distanza è direttamente legata al parametro sin2beta di violazione di CP. La misura di questo parametro è stato uno degli obbiettivi principali degli esperimenti BaBar e Belle. Entrambi hanno iniziato la presa dati nel 1999.
La camera a deriva è un dispositivo di tracciamento utilizzato nella maggior parte dei rivelatori di particelle. La camera è riempita di un gas opportuno, e contiene più di 8000 fili, che possono essere suddivisi in fili di campo (field wire) che garantiscono un campo elettrico, e fili sensibili (sense wire) che invece raccolgono gli elettroni prodotti dalla ionizzazione del gas indotta dal passaggio delle particelle cariche. Quando una particella carica attraversa la camera, essa ionizza il gas, e gli elettroni prodotti si muovono verso il filo di senso grazie al forte campo elettrico presente. La posizione della traccia ionizzante può essere determinata dal tempo che gli elettroni prodotti dalla ionizzazione impiegano per giungere sul filo di senso. (La velocità di deriva con cui gli elettroni si muovono verso il filo di senso è determinata dal campo elettrico e dal gas presente all'interno della camera).
In BaBar la camera a deriva (DCH) è il dispositivo di tracciamento principale. Il suo compito primario è quello di misurare con la migliore risoluzione possibile l'impulso delle tracce cariche. La DCH fornisce anche la misura del dE/dx utile per l'identificazione della particelle. La DCH è costituita da 40 strati cilindrici e concentrici, ognuno costituito da centinaia di celle ciascuna delle quali contiene un filo di senso. Il gas utilizzato è una miscela basata su elio e utilizza dei fili con bassa massa per minimizzare lo scattering multiplo all'interno della camera e quindi migliorare la risoluzione in impulso.
Un rivelatore Cerenkov è un dispositivo specializzato nell'identificazione della natura delle particelle. Dalla misura dell'angolo Cerenkov delle tracce, è possibile determinare la velocità delle particelle. Combinando l'informazione della velocità con quella dell'impulso, ottenuta dai tracciatori, è possibile determinare la massa delle particelle cariche. Poiché ogni particella ha una massa unica, questa permette di identificarle con precisione.
Nel DIRC le particelle cariche attraversano delle barre di quarzo e generano la radiazione Cerenkov. I fotoni emessi vengono trasferiti, per riflessione totale (che preserva l'angolo di emissione) interna alla barra in una tanica contenente acqua purificata. I fotoni che escono dalla barra attraversano l'acqua della tanica e vengono rivelati da una rete di tubi fotomoltiplicatori posti sulla superficie esterna della tanica. L'angolo Cerenkov viene determinato dalla misura della posizione dei fotoni e da quella della traccia.
Il compito principale del DIRC è quello di distinguire tra pioni carichi e kaoni neutri, nella regione di alto momento. (A basso momento la separazione pioni/Kaoni è basata invece sulla misura del dE/dx misurato nell'SVT e nella DCH). Il DIRC comunque può fornire anche informazioni che possono permettere di identificare anche altre particelle cariche (muoni, elettroni e protoni).
Un calorimento è un dispositivo che permette di misurare l'energia e la posizione di particelle sia cariche che neutre, attraverso l'assorbimento delle particelle stesse. Una particella che attraversa un calorimento, per es. un elettrone, perde tutta (o parte) della propria energia attraverso la formazione di sciami (showers) di nuove particelle. Se la particella iniziale viene completamente assorbita, allora tutta la sua energia viene suddivisa tra le particelle dello sciame. Se la particella originale genera invece uno sciame ma non viene completamente assorbita, allora la particella conserva parte della propria energia e il resto viene ceduto allo sciame di particelle. Se una particella viene completamente assorbita oppure no dipende principalmente dal tipo di materiale di cui è costituito il calorimetro. I calorimetri elettromagnetici sono progettati per assorbire principalmente particelle che interagiscono elettromagneticamente - cioè particelle cariche e fotoni, mentre i calorimetri adronici sono ottimizzati per assorbire principalmente adroni.
In un calorimento elettromagnetico, le particelle vengono distinte principlamente dall'ammontare di energia rilasciata e dalla forma degli sciami. Elettroni e fotoni vengono assorbiti completamente e formano sciami con limitata estensione longitudinale e laterale. Gli adroni invece, vengono soltanto assorbiti parzialmente e formano sciami estesi e a volte anche multipli. I muoni (anche se sono particelle che interagiscono elettromagneticamente) non vengono invece assorbiti e non producono sciami. L'esistenza o meno di una traccia carica nella DCH permette di dedurre facilmente se lo sciame rivelato dal calorimetro è stato prodotto da una particella carica o neutra.
Il compito principale del calorimento elettromagnetico di BaBar (EMC) è quello di determinare l'energia, l'identità e la posizione di elettroni, fotoni e pioni neutri, che decadono in due fotoni. L'EMC è costituito da cristalli di CsI(Tl), che forniscono una eccellente risoluzione sia in energia in posizione, anche per fotoni di energia molto bassa.
I muoni, anche se sono particelle cariche e perciò interagiscono in modo elettromagnetico, non producono sciami in un calorimetro elettromagnetico. Perciò gli esperimenti in cui è importante la loro identificazione, spesso hanno dei rivelatori dedicati per i muoni nella parte più esterna. La maggior parte delle particelle decadono in volo prima di raggiungere i rivelatori di muoni, ma i muoni e i pioni di alta energia invece riescono a raggungere il rivelatore esterno.
L'IFR è il sottorivelatore più esterno in BaBar. Esso viene usato per identificare sia muoni che gli adroni neutri a lunga vita media. L'IFR ha due compiti principali, come flusso di ritorno del magnete solenoidale e come rivelatore di muoni e adroni neutri. Il giogo di ritorno del flusso magnetico generato dal solenoide è costituito da strati di acciaio e ferro, alternati con strati che permettono di rivelare il passaggio di particelle oppure lo sciame generato all'interno degli strati di ferro. I muoni possono in genere attraversare molti più strati di ferro e acciaio dei pioni, e questa informazione viene utilizzata per effettuare la separazione tra i due tipi di particelle.
All'inizio della storia dell'esperimento BaBar, tutti gli strati erano fatti di ferro e i rivelatori attivi erano costituiti da Resistive Plate Chamber (RPC). Ma un rapido fenomeno di invecchiamento e di perdita di efficienza degli RPC originali ne hanno forzato la sostituzione nella parte in avanti (forward endcap) e nella parte centrale (barrel). Nell'estate 2002, tutti gli RPC del forward endcap furono sostituiti con nuovi RPC e con 2 lunghezze di assorbimento aggiuntive (aggiungendo 5 strati di ottone al posto di altrettanti strati di rivelatore, e altri due strati di acciao e rivelatori nella parte più esterna). Nel 2004, due dei 6 sestanti del barrel furono sostituiti con rivelatori Limited Streamer Tubes (LST) e furono aggiunti vari strati di ottone. I rimanenti 4 sestanti di RPC del barrel furono sostituiti dai rivelatori LST nell'estate 2006. Ognuno dei sestanti attualmente è costituito da 12 strati di LST e 6 di ottone come materiale assorbente.
Senza un campo magnetico, un dispositvo di tracciamente non può misurare la carica e l'impulso delle particelle, ma solo la posizione. Con un campo magnetico invece le tracce della particelle cariche curvano nel rivelatore: dalla misura della curvatura della traccia si determina l'impulso e dalla direzione di curvatura si determina la carica.
BaBar utilizza un solenoide superconduttore, localizzato tra l'EMC e l'IFR. L'intensità del campo magnetico, fissata a 1.5T, è stata scelta in modo da assicurare buone risoluzioni in impulso, senza aumentare il volume dei rivelatori di tracciamento e quindi i costi del calorimetro.