Ring-imaging Cherenkov detector
رنگ امیجنگ چیرنکوف، یا رچ، ڈٹیکٹر ایک ایسا آلہ ہے جو معلوم رفتار کے برقی طور پر چارج شدہ ذیلی جوہری ذرہ کی قسم کی شناخت کرتا ہے، جو اس سفر کے دوران خارج ہونے والی چیرنکوف تابکاری کی موجودگی اور خصوصیات کی پیمائش کے ذریعے ایک شفاف ریفریکٹیو میڈیم سے گزرتا ہے۔ RICH ڈٹیکٹر سب سے پہلے 1980 کی دہائی میں تیار کیے گئے تھے اور انہیں اعلی توانائی کے ابتدائی ذرہ، جوہری اور فلکیاتی طبیعیات کے تجربات میں استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ مضمون جدید طبیعیات کے تجربات میں اس کی مختلف شکلوں کی مختصر مثالوں کے ساتھ، RICH ڈٹیکٹر کی ابتداء اور اصولوں کا خاکہ پیش کرتا ہے۔ رنگ امیجنگ چیرنکوف (RICH) ڈٹیکٹر اوریجنز رنگ امیجنگ کا پتہ لگانے کی تکنیک سب سے پہلے 1977 میں CERN میں کام کرنے والے جیکس سیگوئنٹ اور ٹام یپسیلانٹس نے تجویز کی تھی۔ اعلی صحت سے متعلق سنگل فوٹون ڈٹیکٹرز اور متعلقہ آپٹکس کی ان کی تحقیق اور ترقی، سی ای آر این کی اومیگا سہولت اور ایل ای پی (لارج الیکٹران پوزیٹرون کولائڈر) ڈیلفی تجربے میں پہلے بڑے پیمانے پر پارٹیکل فزکس رچ ڈٹیکٹرز کے ڈیزائن کی ترقی اور تعمیر کی بنیاد رکھتی ہے۔ اصول ایک رنگ امیجنگ چیرنکوف (RICH) ڈٹیکٹر ریفریکٹیو انڈیکس> 1 کے ساتھ میڈیم کو عبور کرنے میں ذرہ کے ذریعے خارج ہونے والی چیرنکوف تابکاری (بطور فوٹون) کا پتہ لگانے کے ذریعے برقی طور پر چارج شدہ ذیلی جوہری ذرات کی اقسام کی شناخت کی اجازت دیتا ہے۔ شناخت چیرنکوف تابکاری کے اخراج کے زاویے کی پیمائش کے ذریعے حاصل کی جاتی ہے، جس کا تعلق چارج شدہ ذرہ کی رفتار سے ہے جہاں روشنی کی رفتار ہے۔ ذرہ کی رفتار اور سمت کا علم (عام طور پر ایک متعلقہ مومنٹم سپیکٹرومیٹر سے دستیاب) ذرات کی قسم کے ہر مفروضے کے لیے پیش گوئی کی اجازت دیتا ہے۔ RICH ریڈی ایٹر کا استعمال کرتے ہوئے اس کی ایک متعلقہ پیش گوئی دیتا ہے جس کا موازنہ دریافت شدہ چیرنکوف فوٹون سے کیا جا سکتا ہے، اس طرح ذرہ کی شناخت کی نشاندہی ہوتی ہے (عام طور پر فی ذرہ قسم کے امکان کے طور پر)۔ ایک گیسی ریڈی ایٹر (n ~ 1.0005، کونیی ریزولوشن ~ 0.6mrad) میں پیدا ہونے والے واحد چیرنکوف فوٹونوں کے لیے ماخذ ذرہ کی مومنٹم بمقابلہ مومنٹم کی ایک عام (مصنوعی) تقسیم مندرجہ ذیل شکل میں دکھائی گئی ہے: مختلف ذرہ اقسام مستقل کمیت کی الگ الگ شکلوں کی پیروی کرتی ہیں، جو RICH ڈٹیکٹر کے موثر کونیی ریزولوشن سے مل جاتی ہیں۔ اعلی لمحے پر ہر ذرہ متعدد چیرنکوف فوٹونوں کا اخراج کرتا ہے، جو ایک ساتھ مل کر، ایک فوٹون کے مقابلے میں اوسط کی زیادہ درست پیمائش دیتا ہے، جس سے مؤثر علیحدگی کے ذرہ کو اس مثال میں 100 جی ای وی سے آگے بڑھنے کی اجازت ملتی ہے۔ یہ ذرہ شناخت بنیادی ذرات کی ساخت اور تعاملات کی اندرونی طبیعیات کی تفصیلی تفہیم کے لیے ضروری ہے۔ رنگ امیجنگ طریقہ کار کا جوہر سنگل فوٹون ڈٹیکٹرز کے ساتھ ایک نظری نظام وضع کرنا ہے، جو چیرنکوف فوٹونوں کو الگ کر سکتا ہے جو ہر ذرہ خارج کرتا ہے، تاکہ ایک واحد "رنگ امیج" تشکیل دی جا سکے جس سے درست کا تعین کیا جا سکے۔ = 1.0005 کے ساتھ ریڈی ایٹر میں 22 جی ای وی/سی ذرہ سے وابستہ فوٹونوں کے چیرنکوف زاویوں کا قطبی پلاٹ ذیل میں دکھایا گیا ہے۔ پیاون اور کاون دونوں کی مثال دی گئی ہے۔ پروٹون چیرنکوف کی حد سے نیچے ہیں، جو اس معاملے میں کوئی تابکاری پیدا نہیں کرتے ہیں (جو ذرہ قسم = پروٹون کا ایک بہت واضح اشارہ بھی ہوگا، کیونکہ فوٹونوں کی تعداد میں اتار چڑھاؤ متوقع اوسط کے بارے میں پوسن کے اعدادوشمار کی پیروی کرتے ہیں، تاکہ مثال کے طور پر اس کا امکان ہو۔ جب ~ 12 کی توقع کی جاتی ہے تو صفر فوٹون پیدا کرنے والا 22 جی ای وی/سی کاون بہت چھوٹا ہوتا ہے۔ e−12 یا 162755 میں 1) ہر ذرہ قسم کے لیے دکھائے گئے پتہ لگائے گئے فوٹونوں کی تعداد، مثال کے مقاصد کے لیے، ~ 25 والے RICH میں اس قسم کے لیے اوسط ہے (نیچے دیکھیں)۔ ایزموتھ میں تقسیم 0 اور 360 ڈگری کے درمیان بے ترتیب ہے۔ اس میں تقسیم آر ایم ایس کونیی ریزولوشن ~ 0.6 ملی ریڈین کے ساتھ پھیلی ہوئی ہے۔ نوٹ کریں کہ، چونکہ فوٹونوں کے اخراج کے نکات ریڈی ایٹر کے ذریعے ذرہ کی (عام طور پر سیدھی لکیر) رفتار پر کسی بھی جگہ پر ہو سکتے ہیں، اس لیے ابھرتے ہوئے فوٹون خلا میں روشنی کے شنک کو بھرتے ہیں۔ ایک امیر ڈٹیکٹر میں اس لائٹ کون کے اندر موجود فوٹون ایک نظری نظام سے گزرتے ہیں اور پوزیشن حساس فوٹون ڈٹیکٹر پر اثر انداز ہوتے ہیں۔ ایک مناسب فوکسنگ آپٹیکل سسٹم کے ساتھ یہ ایک رنگ کی تعمیر نو کی اجازت دیتا ہے، جو اوپر کی طرح ہے، جس کا رداس چیرنکوف کے اخراج کے زاویے کی پیمائش دیتا ہے۔ اس طریقہ کار کی حل کرنے کی طاقت کو چیرنکوو زاویہ فی فوٹون کا موازنہ کرکے واضح کیا گیا ہے، اوپر کا پہلا پلاٹ دیکھیں، جس میں اوسط چیرنکوو زاویہ فی ذرہ (اس ذرہ سے خارج ہونے والے تمام فوٹونوں پر اوسط) رنگ امیجنگ کے ذریعے حاصل کیا گیا ہے، جو نیچے دکھایا گیا ہے۔ ذرہ اقسام کے درمیان بہت بہتر علیحدگی بہت واضح ہے: ایک امیر نظام کی ذرہ قسم کے لیے مختلف مفروضوں کو کامیابی کے ساتھ حل کرنے کی یہ صلاحیت دو بنیادی عوامل پر منحصر ہے، جو بدلے میں درج ذیلی عوامل پر منحصر ہے۔ فی فوٹون میں موثر کونیی ریزولوشن، ریڈی ایٹر میں کرومیٹک ڈسپریشن (فوٹون فریکوئنسی کے ساتھ مختلف ہوتا ہے) آپٹیکل سسٹم میں ابرریشنز فوٹون ڈٹیکٹر کی پوزیشن ریزولوشن رنگ امیج میں پائے جانے والے فوٹونوں کی زیادہ سے زیادہ تعداد، یہ RICH کے نظری ردعمل کی پیمائش ہے۔ اس کے بارے میں ایک ایسے ذرہ کے ذریعہ پیدا ہونے والے اصل میں پائے جانے والے فوٹونوں کی تعداد کے محدود کیس کے طور پر سوچا جا سکتا ہے جس کی رفتار روشنی کے قریب پہنچ جاتی ہے، جو RICH ڈٹیکٹر میں تمام متعلقہ ذرہ راستوں پر اوسط ہوتی ہے۔ چیرنکوف فوٹونوں کی اوسط تعداد کا پتہ چلا، ایک سست ذرہ کے لیے، چارج (عام طور پر ± 1)، زاویہ پر فوٹونوں کو خارج کرنا اور جس درستگی کے ساتھ ان فوٹونوں کے ساتھ اوسط چیرنکوف زاویہ کا تعین کیا جا سکتا ہے وہ تقریبا ہے جس میں اخراج کرنے والے ذرہ کی ماپا ہوئی سمت کی کونیی درستگی کو کواڈریچر میں شامل کیا جانا چاہیے، اگر یہ اس کے مقابلے میں نہ ہونے کے برابر ہے۔ اخراج کرنے والے ذرہ کی معلوم رفتار اور ریڈی ایٹر کے اضطراری اشاریہ کو دیکھتے ہوئے، ہر ذرہ قسم کے لیے متوقع چیرنکوو زاویے کی پیش گوئی کی جا سکتی ہے، اور مشاہدہ شدہ اوسط چیرنکوو زاویے سے اس کے فرق کا حساب لگایا جا سکتا ہے۔ اس فرق کو اس وقت تک تقسیم کرنے سے مشاہدے سے مفروضے کے 'سگما کی تعداد' کے انحراف کی پیمائش ملتی ہے، جسے ہر ممکنہ مفروضے کے امکانات یا امکانات کا حساب لگانے میں استعمال کیا جا سکتا ہے۔ مندرجہ ذیل اعداد و شمار، رفتار کی تقریب کے طور پر، ایک امیر کے لیے = 1.0005، = 25، = 0.64 ملی ریڈین کے ساتھ، ایک حقیقی کایون رنگ امیج (π ناٹ k) سے کاون مفروضے اور ایک حقیقی کاون رنگ امیج (k ناٹ π) سے کاون مفروضے کے انحراف کی 'سگما کی تعداد' کو ظاہر کرتا ہے۔ یہ بھی دکھایا گیا ہے کہ = 1.0005، = 25، = 0.64 ملی ریڈین کے ساتھ ایک امیر کے لیے = 1.0005، = 25، = 0.64 ملی ریڈین کے ساتھ = 1.0005، = 25، = 0.64 ملی ریڈین کے ساتھ = 1.0005، = 25، = 0.64 ملی ریڈین کے ساتھ = 1.0005، = 25، = 0.64 ملی ریڈین کے ساتھ = 1.0005، = 25، = 0. کوئی یہ دیکھ سکتا ہے کہ دونوں ذرہ اقسام کو الگ کرنے کی امیر کی صلاحیت حد اور 80 جی ای وی/سی کے درمیان ہر جگہ 4 سگما سے تجاوز کر جاتی ہے، آخر کار تقریبا 100 جی ای وی پر 3 سگما سے نیچے گر جاتی ہے۔ یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ یہ نتیجہ ایک 'مثالی' ڈٹیکٹر کے لیے ہے، جس میں یکساں قبولیت اور کارکردگی، عام غلطی کی تقسیم اور صفر پس منظر ہے۔ یقینا اس طرح کا کوئی ڈٹیکٹر موجود نہیں ہے، اور ایک حقیقی تجربے میں دراصل ان اثرات کا حساب لگانے کے لیے بہت زیادہ نفیس طریقہ کار استعمال کیے جاتے ہیں۔ پوزیشن پر منحصر قبولیت اور کارکردگی ؛ غیر گوسیائی غلطی کی تقسیم ؛ غیر نہ ہونے کے برابر اور متغیر واقعہ پر منحصر پس منظر۔ عملی طور پر، ایک عام کولائڈر تجربے میں پیدا ہونے والی کثیر ذرات والی حتمی حالتوں کے لیے، دیگر حتمی حالت والے ہیڈرون، خاص طور پر پیاون سے کاون کی علیحدگی، امیر کا سب سے اہم مقصد ہے۔ اس تناظر میں دو سب سے اہم RICH افعال، جو سگنل کو زیادہ سے زیادہ کرتے ہیں اور مشترکہ پس منظر کو کم سے کم کرتے ہیں، یہ ہیں کہ اس کی کاون کو کاون کے طور پر صحیح طریقے سے شناخت کرنے کی صلاحیت اور کاون کے طور پر پیاون کی غلط شناخت نہ کرنے کی صلاحیت۔ متعلقہ امکانات، جو حقیقی اعداد و شمار میں سگنل کا پتہ لگانے اور پس منظر کو مسترد کرنے کے معمول کے اقدامات ہیں، رفتار کے ساتھ ان کی تغیر کو ظاہر کرنے کے لیے ذیل میں پلاٹ کیے گئے ہیں (10 ٪ بے ترتیب پس منظر کے ساتھ تخروپن) ؛ نوٹ کریں کہ 100 جی ای وی پر ~30% π → k غلط شناخت کی شرح، زیادہ تر حصے کے لیے، مصنوعی ڈٹیکٹر میں 10 ٪ پس منظر ہٹ (جعلی فوٹون) کی موجودگی کی وجہ سے ہے۔ اوسط چیرنکوف زاویے میں 3-سگما علیحدگی (اوپر چوتھے پلاٹ میں دکھایا گیا ہے)، بذات خود، تقریبا 6 ٪ غلط شناخت کا سبب بنے گی۔ آپریشنل رچ ڈٹیکٹرز کے لیے مذکورہ قسم کے مزید تفصیلی تجزیے شائع شدہ ادب میں مل سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، سی ای آر این ایل ایچ سی کے مطالعے میں ایل ایچ سی بی کا تجربہ، دیگر بی-میسن کی کمی کے درمیان، مخصوص عمل B0 → π + π−۔ مندرجہ ذیل اعداد و شمار سے ظاہر ہوتا ہے، بائیں طرف، RICH شناخت کے بغیر π + π − بڑے پیمانے پر تقسیم، جہاں تمام ذرات کو π سمجھا جاتا ہے۔ B0 → π + π − دلچسپی کا اشارہ فیروزی نقطوں والی لکیر ہے اور B اور λ کی وجہ سے پس منظر سے مکمل طور پر دلدل ہے جس میں کان اور پروٹون شامل ہیں، اور B0 انحطاط سے وابستہ نہ ہونے والے ذرات کا مشترکہ پس منظر۔ دائیں طرف RICH شناخت کے ساتھ وہی ڈیٹا ہے جو صرف پیاون کو منتخب کرنے اور کاون اور پروٹون کو مسترد کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ B0 → π + π− سگنل محفوظ ہے لیکن تمام کاون اور پروٹون سے متعلق پس منظر بہت کم ہو گئے ہیں، تاکہ مجموعی طور پر B0 سگنل/پس منظر میں ایک عنصر ~ 6 سے بہتری آئی ہے، جس سے سڑنے کے عمل کی بہت زیادہ درست پیمائش کی اجازت ملتی ہے۔ امیر اقسام فوکسنگ اور قربت فوکسنگ ڈٹیکٹر دونوں استعمال میں ہیں۔ فوکسنگ رچ ڈٹیکٹر میں، فوٹون کو فوکل لمبائی کے ساتھ ایک کروی آئینے کے ذریعے جمع کیا جاتا ہے اور فوکل طیارہ پر رکھے فوٹون ڈٹیکٹر پر مرکوز کیا جاتا ہے۔ نتیجہ ایک دائرے کے ساتھ ایک دائرہ ہے، جو ذرہ کے ٹریک () کے ساتھ اخراج کے نقطہ سے آزاد ہے۔ یہ اسکیم کم ریفریکٹیو انڈیکس ریڈی ایٹرز (یعنی گیسوں) کے لیے موزوں ہے جس کی ریڈی ایٹر کی بڑی لمبائی کافی فوٹون بنانے کے لیے درکار ہوتی ہے۔ زیادہ کمپیکٹ قربت پر مرکوز ڈیزائن میں ایک پتلی ریڈی ایٹر کا حجم چیرنکوف روشنی کے شنک کو خارج کرتا ہے جو ایک چھوٹے فاصلے، قربت کے فرق کو عبور کرتا ہے، اور فوٹون ڈٹیکٹر طیارے پر پتہ چلتا ہے۔ تصویر روشنی کی ایک انگوٹی ہے جس کے رداس کی وضاحت چیرنکوف کے اخراج کے زاویے اور قربت کے فرق سے ہوتی ہے۔ انگوٹھی کی موٹائی کا تعین بنیادی طور پر ریڈی ایٹر کی موٹائی سے ہوتا ہے۔ قربت کے فرق RICH ڈٹیکٹر کی ایک مثال ہائی مومنٹم پارٹیکل آئیڈینٹیفیکیشن (HMPID) ہے، جو ALICE (ایک بڑا آئن کولائڈر تجربہ) کے ڈٹیکٹرز میں سے ایک ہے، جو CERN میں LHC (لارج ہیڈرون کولائڈر) کے پانچ تجربات میں سے ایک ہے۔ ڈی آئی آر سی (ڈیٹیکشن آف انٹرنلی ریفلیکٹڈ چیرنکوف لائٹ) میں، آر آئی سی ایچ ڈیٹیکٹر کا ایک اور ڈیزائن، روشنی جو ٹھوس ریڈی ایٹر کے اندر کل اندرونی عکاسی کے ذریعے پکڑی جاتی ہے، ڈیٹیکٹر کے دائرے میں روشنی کے سینسر تک پہنچ جاتی ہے، ریڈی ایٹر کا عین مطابق آئتاکار کراس سیکشن چیرنکوف لائٹ کون کی کونیی معلومات کو محفوظ رکھتا ہے۔ ایک مثال ایس ایل اے سی میں بابار تجربے کی ڈی آئی آر سی ہے۔ لارج ہیڈرون کولائڈر پر ایل ایچ سی بی کا تجربہ پیاون اور کاون کے درمیان فرق کرنے کے لیے دو امیر ڈٹیکٹر استعمال کرتا ہے۔ پہلا (RICH-1) انٹرایکشن پوائنٹ کے ارد گرد ورٹیکس لوکیٹر (VELO) کے فورا بعد واقع ہے اور کم رفتار والے ذرات کے لیے بہتر بنایا گیا ہے اور دوسرا (RICH-2) مقناطیسی اور ذرہ ٹریکر تہوں کے بعد واقع ہے اور اعلی رفتار والے ذرات کے لیے بہتر بنایا گیا ہے۔ الفا میگنیٹک سپیکٹرومیٹر ڈیوائس اے ایم ایس-02، جو حال ہی میں بین الاقوامی خلائی اسٹیشن پر نصب کیا گیا ہے، کائناتی شعاعوں کا تجزیہ کرنے کے لیے دوسرے آلات کے ساتھ مل کر ایک امیر ڈٹیکٹر کا استعمال کرتا ہے۔ حوالہ جات ذرات کا پتہ لگانے والے