detector Cherenkov

Un detector Cherenkov (pronunciación: /tʃɛrɛnˈkɔv/; ruso: Черенко́в) es un tipo de detector de partículas diseñado para detectar e identificar partículas mediante la radiación Cherenkov producida . Muchas técnicas de diagnóstico de alta energía aprovechan la radiación Cherenkov debido a sus propiedades relativamente únicas en comparación con otras formas de emisión de radiación. Los detectores Cherenkov se utilizan en física nuclear , física de rayos cósmicos , física de partículas y fusión por confinamiento inercial . Jelley ^{[ 1 ]} señala las siguientes ventajas

• Se pueden lograr conteos rápidos, tiempos de respuesta cortos y altas tasas de conteo.
• Determinación directa de la velocidad, si se conoce la masa.
• Discriminación energética
• Determinación de la carga, ya que la radiación Cherenkov es igual al cuadrado de la carga,${\displaystyle q^{2}}$
• Conteo en áreas extensas, particularmente en campos de rayos cósmicos, donde muchos detectores de tamaño métrico son razonables.
• Selección de dirección

y señala que, por lo general, no se puede utilizar para partículas de baja energía (<175 keV), ya que tiene una emisión de luz generalmente débil y suele requerir amplificación mediante tubos fotomultiplicadores u otras técnicas.

Los detectores Chereknov se contrastan con otras técnicas de medición de partículas nucleares, como los contadores de centelleo o los detectores semiconductores .

La radiación Cherenkov se produce cuando una partícula cargada se transmite a través de un material a una velocidad mayor que la velocidad a la que la luz puede viajar a través de dicho material. Esto es análogo a la producción de un estampido sónico cuando un avión viaja por el aire más rápido de lo que las ondas sonoras pueden propagarse por el aire. Para crear luz Cherenkov, la partícula cargada debe tener una velocidad y, por lo tanto, una energía lo suficientemente altas como para cumplir la condición.

${\displaystyle v>{\frac {c}{n}}}$o ${\displaystyle \beta >{\frac {1}{n}}}$

dónde${\displaystyle v}$, es la velocidad de la partícula, es mayor que${\displaystyle c}$, la velocidad de la luz en el vacío dividida por${\displaystyle n}$, el índice de refracción del medio, o equivalentemente el con beta relativista,${\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}}}$. La condición umbral también puede expresarse en términos de la energía de la partícula cargada a través de la fórmula de Frank-Tamm como

${\displaystyle E_{\text{th}}={\bigg (}{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {1}{n^{2}}}}}}-1{\bigg )}mc^{2}}$.

Por lo tanto, la partícula incidente debe tener por encima de una energía específica para crear cualquier radiación Cherenkov. Esta relación umbral de energía y velocidad se utiliza como identificación de partículas como una detección binaria sí/no si se produce alguna luz Cherenkov. La dirección en la que se emite esta luz es en un cono alrededor de la dirección en la que se mueve la partícula, con el ángulo Cherenkov,${\displaystyle \theta _{c}}$, teniendo la relación

${\displaystyle \cos(\theta _{c})={\frac {c}{nv}}={\frac {1}{n\beta }}}$.

Si se mide el ángulo, se puede determinar la velocidad de la partícula, con una resolución generalmente limitada por el error cromático. La dependencia de la longitud de onda de la luz Cherenkov es continua y sigue la fórmula de Frank-Tamm.

${\displaystyle {\frac {dN_{\text{Cherenkov}}}{d\lambda }}\approx {\frac {2\pi \alpha }{\lambda ^{2}}}{\bigg (}1-{\frac {1}{\beta ^{2}n(\lambda )^{2}}}{\bigg )}(\Delta x)}$.

Donde el número de fotones Cherenkov,${\displaystyle N_{\text{Cherenkov}}}$, depende de constantes como la constante de estructura fina,${\displaystyle \alpha }$y cierta longitud de ruta${\displaystyle \Delta x}$Fundamentalmente, la frecuencia de los fotones Cherenkov sigue una${\displaystyle N_{\text{Cherenkov}}\propto {\frac {1}{\lambda ^{2}}}}$ Dependencia de la longitud de onda, que es única en comparación con otros tipos de radiación emitida como la radiación de frenado , la emisión lineal o los centelleadores . Cuando se integra esta ecuación, los límites de integración se cumplen solo cuando se cumplen las condiciones de velocidad de Cherenkov. Con la dispersión en los materiales, esto generalmente solo llega hasta una longitud de onda pico de ~200  nm, dependiendo de la dependencia del índice de refracción. Debido a esto, la radiación Cherenkov suele ser más brillante en las bandas UV/visible, de 200  nm a 400  nm, lo que, para el ojo humano, le da su característico tono azul. Sin embargo, la radiación Cherenkov se emite en cualquier rango de frecuencia donde se cumpla la condición, es decir, hasta el rango de radiofrecuencia.

Además, el método de producción Cherenkov es extremadamente rápido, en primera aproximación el tiempo de tránsito de una partícula cercana a la velocidad de la luz que atraviesa una longitud a través del material. Cálculos detallados estiman que los pulsos Cherenkov varían entre ~1 y 100 femtosegundos, dependiendo de los detalles, y bajo condiciones específicas pueden ser de attosegundos o más cortos. ^{[ 2 ]} En los detectores, la resolución temporal de un detector Cherenkov depende más de la dispersión del pulso o de la velocidad de la técnica de amplificación, como un fotomultiplicador.

Otras propiedades destacables incluyen que la luz Cherenkov es coherente y polarizada .

La mayoría de los detectores Cherenkov tienen como objetivo registrar la luz Cherenkov producida por una partícula cargada primaria. Algunas tecnologías de sensores buscan explícitamente la luz Cherenkov producida (también) por partículas secundarias, ya sea por emisión incoherente, como la que ocurre en una cascada de partículas electromagnéticas , o por emisión coherente, por ejemplo, el efecto Askaryan .

Los detectores Cherenkov se pueden clasificar como detectores de umbral o de imagen (incluyendo imágenes diferenciales o de anillo), ^{[ 3 ]} se pueden clasificar según el tipo de medio Cherenkov: gas, aerogel, líquidos, sólidos, metamateriales. Pueden ser de recolección de fotones individuales o en modo de corriente. Se pueden clasificar según el tipo de recolección de fotones: gas, vacío o estado sólido.

Jelley ^{[ 1 ]} clasifica los detectores Cherenkov como de enfoque, donde un sistema óptico enfoca la luz, o no de enfoque, donde la luz se recoge de forma difusa.

Los detectores de umbral Cherenkov se han utilizado para mediciones rápidas de tiempo y tiempo de vuelo en detectores de partículas.

Los diseños más elaborados utilizan la cantidad de luz producida. Al registrar la luz de partículas primarias y secundarias, en un calorímetro Cherenkov el rendimiento lumínico total es proporcional a la energía de las partículas incidentes.

• Detector Cherenkov de imágenes de anillo (RICH)
• Detector de detección de luz Cherenkov reflejada internamente (DIRC)
• Super-Kamiokande