Калориметры

Калориметр (или ионизационный калориметр) – это детектор, позволяющий измерять энергию элементарной частицы и её параметры по  ионизации, вызванной вторичными частицами.

Калориметры представляют собой чередующиеся слои вещества – мишени, в которых тормозятся частицы высоких энергий (обычно это слои тяжёлых металлов – свинца, железа или латуни). В зазорах между веществом мишени устанавливаются детекторы различного типа (искровые, пропорциональные камеры, слои сцинтилляторов и др. детекторы), которые необходимы для регистрации  вторичного излучения.

Ионизационный калориметр

Так при попадании ионизирующей частицы высокой энергии ( ) в мишень генерируется каскад вторичных частиц,  которые в свою очередь, также взаимодействуя с веществом калориметра, образуют множество вторичных частиц. Таким образуется ливень частиц в направлении движения первичной частицы. Энергия исходной частицы распределяется между всеми частицами ливня, так что энергия каждой новой частицы в этом ливне оказывается небольшой. Благодаря обработке сигналов с различных слоёв установки, весь ливень вторичных частиц восстанавливается, определяется их энергия, тип, тем самым энергия и параметры первичной частицы.

Кристаллы тяжелого сцинтиллятора германата висмута плотность  (почти как у железа), показатель преломления

Некоторая, вполне определенная, доля энергии первичной частицы может выделяется в виде света. Для её регистрации  в калориметрах используются давно изученные стандартные сцинтилляторы, для которых хорошо известно, какая часть от энергии исходной частицы превращается в оптическую вспышку. Для совмещения требования эффективного поглощения ливней с применением сцинтилляторов, последние выбираются очень тяжёлыми или же очень часто чередуются со слоями мишени.  Также помимо сцинтилляторов для этой цели используются множество тонких кварцевых оптоволокон, внедрённых в матрицу массивного поглотителя. 

Электронно-позитронный- фотонный ливень

Если в мишень попадёт электрон или фотон, сталкиваясь с электронными оболочками атомов вещества мишени, они порождают электромагнитный ливень – поток из большого числа электронов, позитронов и фотонов. Такие ливни быстро развиваются на небольшой глубине и обычно поглощаются в слое вещества толщиной несколько десятков сантиметров. Если в мишень попадают высокоэнергетические адроны (протоны, нейтроны, π-мезоны и K-мезоны), теряющие энергию преимущественно за счёт столкновений с ядрами, они порождают адронный ливень, который проникает гораздо глубже в толщу вещества, чем электромагнитный, и к тому же он более широкий. Для того, чтобы он полностью был поглощён, требуется один-два метра вещества. В связи с этим колориметры составляют так, чтобы их внутренние слои поглощали  преимущественно электромагнитные ливни (такие слои обычно называют электромагнитными калориметрами), а наружные – адронные (соответственно калориметры адронные).

Точность восстановления энергии частицы в калориметре улучшается с ростом энергии. Для частиц с энергиями в сотни ГэВ погрешность составляет порядка процента для электромагнитных калориметров и несколько процентов –  для адронных.