Nuevo diseño de calorímetro probado para el EIC

Los científicos están trabajando en una nueva herramienta para estudiar la materia en el Colisionador Electrón-Ión (EIC), que se está construyendo para explorar la estructura de los núcleos atómicos. Esta herramienta es un tipo especial de detector llamado Calorímetro, que ayuda a medir la energía de las partículas. El objetivo es entender mejor cómo interactúan y se comportan las partículas a escalas muy pequeñas.

#¿Qué es un Calorímetro?

Un calorímetro es un dispositivo que mide la energía de las partículas, como los positrones. Los positrones son las antipartículas de los electrones. Cuando un Positrón se encuentra con materia, puede crear energía que un calorímetro puede detectar. Esta energía ayuda a los investigadores a aprender más sobre las propiedades de la materia.

#El Nuevo Diseño

La nueva inserción del calorímetro, llamada CALI, utiliza pequeños azulejos de plástico que pueden detectar luz. Cuando las partículas chocan con estos azulejos, producen señales de luz. Luego, la luz es leída por sensores llamados SiPMs (Photomultiplexores de Silicio). Este sistema permite capturar mucha información sobre los eventos de partículas que ocurren en el colisionador.

Una de las características especiales de CALI es que coloca los chips de lectura alejados de los azulejos. Este diseño reduce la necesidad de enfriamiento y permite un mejor uso del espacio dentro del detector. Además, el diseño utiliza marcos impresos en 3D que ayudan a minimizar la interferencia de luz no deseada entre los azulejos.

#Pruebas del Prototipo

Para probar esta nueva tecnología, los investigadores construyeron un pequeño prototipo con 40 canales y lo probaron usando un haz de positrones de 4 GeV en el Laboratorio Jefferson. Midieron la energía y las formas de las duchas de partículas producidas cuando los positrones interactuaron con el detector. Los resultados de la prueba coincidieron bien con las simulaciones por computadora, lo que sugiere que el diseño es efectivo.

#Propósito del EIC

El EIC tiene como objetivo entender la estructura y dinámica de los núcleos atómicos bajo diversas condiciones. Para lograr esto, se está desarrollando un gran detector central, llamado ePIC. Este detector tendrá un amplio rango de aceptación para recolectar adecuadamente datos del colisionador. Sin embargo, el EIC tiene un ángulo de cruce de haz único, lo que presenta desafíos en el diseño del detector.

Para abordar estos desafíos, se creó el CALI específicamente para cubrir esta geometría compleja mientras se mantiene capaz de medir las partículas con precisión. Su diseño cuenta con capas de diferentes formas que procesan la energía de las partículas entrantes de manera efectiva.

#Tecnología SiPM-on-Tile

El CALI utiliza tecnología SiPM-on-tile. Este enfoque ha ganado popularidad para detectar partículas debido a su flexibilidad, costo-efectividad y precisión. Un método similar se implementó con éxito en experimentos anteriores en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), destacando su potencial.

A diferencia de los diseños anteriores, CALI mantiene los chips de lectura alejados de los SiPMs para ahorrar espacio y mejorar el enfriamiento. Esto significa que los sensores leen las señales a través de un tipo de cable blindado que corre por la parte trasera del calorímetro. Aunque este sistema ayuda con el enfriamiento, podría introducir algunos desafíos en la calidad de la señal.

#Construyendo el Prototipo

El prototipo CALI consiste en capas hechas con azulejos de plástico centelleador. El equipo utilizó una mezcla de azulejos cuadrados y hexagonales en su diseño para probar diferentes configuraciones. Cada azulejo se coloca en marcos cuidadosamente diseñados para mantenerlos en su lugar y reducir la interferencia de luz.

Cada capa del prototipo se coloca entre absorcedores metálicos, que ayudan a bloquear partículas no deseadas de interferir con las señales que el detector lee. Todo el ensamblaje se coloca en una caja oscura para evitar que la luz externa afecte los resultados.

#El Proceso de Pruebas

Las pruebas se realizaron en enero de 2023 utilizando positrones de una instalación especial. La configuración tuvo que estimar la energía del haz de positrones porque el sistema no tenía capacidad de seguimiento directa. El equipo utilizó una unidad específica para leer señales del detector y activar las mediciones basadas en condiciones establecidas.

Durante las pruebas, recolectaron un número significativo de eventos que proporcionaron datos valiosos para el análisis. Realizaron pruebas de calibración adicionales usando rayos cósmicos para asegurarse de que las señales del detector fueran precisas.

#Análisis de Datos

El análisis de los datos comenzó con la comprensión del comportamiento básico del detector sin ningún haz entrante, conocido como las runs de pedestal. Los investigadores recolectaron datos en ausencia de un haz de positrones para encontrar niveles de señal base.

Los rayos cósmicos también proporcionaron una forma de calibración. Al organizar el prototipo de manera que se expusiera a los rayos cósmicos, pudieron reunir suficiente información para calibrar las señales recogidas por el detector.

Una vez completada la calibración, el equipo se centró en comparar sus datos experimentales con las simulaciones. Notaron discrepancias entre ambos y trabajaron para refinar su comprensión de cómo el detector respondía a las partículas entrantes.

#Resultados

Los resultados de las pruebas mostraron una alineación prometedora entre los datos medidos y las simulaciones por computadora. El número de impactos registrados, así como la distribución de energía, coincidió bien con lo esperado. Esto sugiere que el diseño está funcionando como se pretendía.

Sin embargo, se notaron algunas diferencias en las lecturas de energía entre los resultados experimentales y las simulaciones. A pesar de estas variaciones, los hallazgos generales confirmaron que el diseño CALI es una opción viable para los detectores del EIC.

#Conclusiones

El estudio del prototipo CALI demostró que usar tecnología SiPM-on-tile puede funcionar eficazmente en experimentos de física de altas energías. Los resultados indican el potencial de reducir el tamaño y los requisitos de enfriamiento de futuros detectores.

Los conocimientos obtenidos de este prototipo pueden ayudar a guiar el diseño de otros componentes del detector para el EIC, que son cruciales para avanzar en nuestro conocimiento de la física de partículas. Esto podría llevar a nuevos hallazgos sobre los bloques fundamentales de la materia y las fuerzas que gobiernan sus interacciones.

Los investigadores expresaron gratitud por el apoyo y la retroalimentación recibida durante el proyecto. Reconocieron el esfuerzo colaborativo requerido para avanzar en este complejo campo de estudio.

En resumen, las pruebas del prototipo validaron aspectos clave del diseño CALI y ofrecieron una base para futuros avances en la tecnología de detectores y en la investigación de la física de partículas.