Impacto da Radiação no Calorímetro de Cerâmica Durante a Run 2 do LHC

O experimento ATLAS no Grande Colisor de Hádrons (LHC) é uma grande experiência de física de partículas que visa explorar várias perguntas fundamentais sobre o universo. Um componente crucial desse experimento é o Calorímetro de Tile (TileCal), que mede a energia de partículas como hádrons. Quando essas partículas interagem com o detector, podem causar um desgaste, especialmente devido à Radiação. Este artigo cobre um estudo sobre como a instrumentação óptica do TileCal resistiu à radiação durante a Run 2 do LHC, de 2015 a 2018.

#O que é o Calorímetro de Tile?

O Calorímetro de Tile é a peça central que mede a energia das partículas geradas nas colisões no LHC. Ele consiste em várias camadas de scintiladores plásticos e aço que trabalham juntas para absorver a energia das partículas que chegam. Quando uma partícula atinge o scintilador, ele produz um flash de luz, que é coletado por fibras ópticas especiais e enviado para fotodetetores para medição.

Imagina como um "diner" de alta tecnologia onde cada partícula é um cliente, e os tiles scintiladores são os garçons que servem luz em vez de comida. Cada garçom coleta gorjetas (sinais de luz) com base em como faz bem o seu trabalho.

#Componentes Ópticos em Risco

Como você deve imaginar, trabalhar com colisões de alta energia significa que o TileCal enfrenta muita radiação. Os scintiladores e as fibras ópticas podem sofrer danos quando expostos a essa radiação ao longo do tempo. O estudo explorou como esses componentes se comportaram sob as condições severas do LHC.

As fibras ópticas, responsáveis por coletar luz dos scintiladores, são como os convidados da festa que absorvem as melhores histórias das conversas animadas. Se a festa durar demais, eles podem começar a esquecer as partes boas.

#Calibração e Monitoramento

Para acompanhar o quão bem o TileCal está funcionando, vários sistemas de calibração e monitoramento estão em operação. Eles incluem:

• Fontes radioativas de césio: Elas fornecem luz consistente para checagens de calibração.
• Sistemas a laser: Eles ajudam a monitorar a resposta dos detectores.
• Eventos de mínima viés: Esses são eventos aleatórios que ajudam a avaliar o desempenho geral.

Pense nesses sistemas como check-ins regulares no diner para garantir que todos os garçons ainda estão entregando a comida direitinho. Se um garçom começa a relaxar, a administração precisa saber!

#Coleta de Dados

Os dados para este estudo vieram do período da Run 2, que se estendeu de 2015 a 2018. As medições feitas durante esse tempo visavam avaliar como a saída de luz dos componentes ópticos mudou devido à exposição à radiação.

As medições revelaram que quanto mais tempo os tiles ficaram sob radiação, mais a saída de luz começou a piscar, quase como as luzes de um diner começando a apagar à medida que a noite avança.

#Resultados do Estudo

O desempenho do TileCal variou entre suas camadas. A camada A, a mais interna, foi a mais atingida pela radiação, terminando a Run 2 com uma perda de cerca de 10% na saída de luz. Outras camadas sofreram muito menos dano, frequentemente permanecendo dentro de 1% de seu desempenho original.

Parece que a camada A estava quase implorando por uma pausa depois de uma longa noite servindo energia! Enquanto isso, as outras camadas conseguiram manter o ritmo.

#Scintiladores de Gap e Crack

Além dos segmentos regulares, existem scintiladores especiais de gap e crack, que enfrentaram condições ainda mais severas. Os scintiladores de gap mostraram uma perda de cerca de 12% na saída de luz, mas os contadores de crack foram as verdadeiras "drama queens", sofrendo perdas de 20% e 30% para seus respectivos tipos.

A sala de descanso do diner claramente era um lugar caótico, e esses contadores estavam pedindo uma reforma séria para entrar na Run 3.

#Scintiladores de Gatilho de Mínima Viés

Os Scintiladores de Gatilho de Mínima Viés (MBTS), que ajudam na detecção e temporização de eventos, sofreram desgaste significativo. Os contadores internos desse sistema quase perderam 90% de sua resposta de luz após acumular uma dose particularmente alta de radiação durante a Run 2.

Como se isso não fosse suficiente, eles foram trocados para a Run 3, já que tinham visto dias melhores, bem como um chef overworked em um diner movimentado.

#Ambiente de Radiação

O ambiente de radiação no LHC é influenciado por colisões de alta energia que criam uma série de partículas secundárias. Cerca de 50% dessas partículas são produzidas na área onde o TileCal opera, embora contribuam com apenas cerca de 1% da energia total da colisão.

Imagine uma esquina de rua movimentada onde todo mundo está conversando, mas apenas algumas conversas são altas o suficiente para serem ouvidas.

Simulações foram usadas para estimar a dose total de ionização (TID) experienciada pelos materiais scintiladores, revelando que certas áreas receberam uma dose muito maior do que outras.

#Modelos de Degradação

Com os dados coletados, os pesquisadores criaram modelos para entender como os componentes ópticos se degradariam ao longo do tempo sob radiação. Esses modelos permitiram que eles extrapolassem o desempenho futuro, se preparando para um ambiente mais intenso esperado nas próximas corridas.

É como prever quão movimentado o diner será durante o verão com base na clientela do ano passado.

#Projeções Futuras

A Fase de Alta Luminosidade do LHC deve entregar ainda mais radiação, com um aumento projetado na luminosidade instantânea por um fator de sete. Isso significa que o TileCal terá que se comportar direitinho ou arriscar enfrentar uma degradação séria.

As futuras "condições de jantar" parecem intensas, e os garçons devem estar prontos para a correria!

#Conclusão

Resumindo, o estudo da instrumentação óptica do Calorímetro de Tile durante a Run 2 do LHC forneceu insights valiosos sobre como a radiação impacta o desempenho desses componentes críticos. Os dados coletados e os modelos desenvolvidos ajudarão a garantir que o TileCal continue robusto, mesmo quando enfrentar novos desafios na Fase de Alta Luminosidade.

Enquanto o diner se prepara para sua próxima grande rodada de serviço, a cozinha deve estar abastecida com os melhores materiais para garantir que todo cliente saia feliz, mesmo que isso signifique alguns garçons novos e alguns menus atualizados!