Detecting photons in radiative Bhabha interaction with Si-strip and LYSO crystals at future e+e- colliders

In de subatomaire wereld bouwen wetenschappers enorme machines om deeltjes met ongelooflijke snelheden tegen elkaar te laten botsen, in de hoop een glimp op te vangen van de fundamentele regels die ons universum beheersen. Om orde te scheppen in de miljarden botsingen die in deze machines plaatsvinden, moeten onderzoekers precies weten hoeveel deeltjes er op elk gegeven moment doorheen gaan. Deze telling wordt luminositeit genoemd, en het is de meetlat waartegen alle andere ontdekkingen worden gemeten. Als de telling niet klopt, wordt het hele experiment onbetrouwbaar. Voor de volgende generatie deeltjesversnellers, die alles zullen bestuderen van de zwaarste bekende deeltjes tot de mysterieuze krachten die het vroege universum vormden, moeten wetenschappers deze luminositeit met extreme precisie meten. Ze doen dit door te letten op een specifiek type interactie waarbij een elektron en een positron, een deeltje van licht materie en zijn antimaterie-tweeling, tegen elkaar aan botsen. Dit evenement, bekend als Bhabha-verstrooiing, is zo goed begrepen door de wetten van de fysica dat het dient als een perfect referentiepunt. De natuur is echter zelden eenvoudig. Soms wordt er tijdens deze botsing een flits van licht, of een foton, uitgezonden. Het detecteren van deze extra flitsen en het onderscheiden ervan van de botsende deeltjes is cruciaal om te verifiëren of onze theorieën over hoe het universum werkt correct zijn tot in de kleinste details.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe manier voorgesteld om deze ongrijpbare flitsen van licht op te vangen bij toekomstige deeltjesversnellers, specifiek die ontworpen om te werken op energieën tussen 2 en 7 miljard elektronvolt, evenals bij hogere-energie machines gebouwd om het Higgs-boson te bestuderen. Hun idee draait om een gespecialiseerde detector die zeer dicht bij het pad van de deeltjesbundels wordt geplaatst, vlak voordat de bundels botsen. Deze detector is ontworpen om een lastig probleem op te lossen: wanneer een elektron tegen een positron botst en een foton uitzendt, reist het foton vaak zo dicht bij het elektron dat het bijna onmogelijk is om ze van elkaar te onderscheiden. Als de detector de twee niet kan scheiden, wordt de telling van gebeurtenissen onnauwkeurig en lijdt de precisie van het hele experiment. De voorgestelde oplossing behelst een tweelaagse aanpak met gebruik van twee zeer verschillende soorten materialen. De eerste laag bestaat uit siliciumstrips, die fungeren als een camera met een hoge resolutie die precies kan zien waar een geladen deeltje inslaat. De tweede laag is gemaakt van LYSO-kristallen, een dicht materiaal dat oplicht wanneer het door energie wordt geraakt, wat fungeert als een 'shower catcher' voor de deeltjes.

De onderzoekers gebruikten krachtige computersimulaties om te testen hoe goed dit ontwerp zou werken. Ze modelleerden het gedrag van elektronen en fotonen terwijl ze door de vacuümbuis van de machine reizen, die gemaakt is van een dun metaal genaamd beryllium. Terwijl deze deeltjes door de buis passeren, kunnen ze licht verstrooien of extra straling uitzenden, wat een rommelige achtergrond creëert die de detector zou kunnen verwarren. De simulaties toonden aan dat de siliciumstrips uitstekend zijn in het volgen van de geladen elektronen, waarbij ze de inslagpositie met microscopische precisie registreren. De fotonen, die geen elektrische lading dragen, passeren het silicium zonder ionisatie-signalen te generen. Dit verschil is de sleutel. Zodra de deeltjes het silicium passeren, raken ze de LYSO-kristallen. Hier creëren de elektronen een uitgespreide 'shower' van energie, terwijl de fotonen hun eigen duidelijke patroon creëren. Door naar de eerste paar lagen van het kristal te kijken, kan de detector het verschil zien tussen een enkel elektron en een foton dat er vlak naast reist, zelfs als ze gescheiden zijn door een afstand die zo klein is als de breedte van een menselijke haar.

De studie vond dat deze combinatie van silicium en fijn gesneden kristallen succesvol deze radiatieve gebeurtenissen kon identificeren met een frequentie van ongeveer één tot drie procent van alle botsingen, afhankelijk van de energie van de machine. Dit mag misschien een klein aantal klinken, maar in de wereld van de hogere-energiefysica is het een aanzienlijke hoeveelheid data. De onderzoekers berekenden dat ze met deze opstelling de theoretische voorspellingen over hoe deze deeltjes met elkaar interageren, kunnen valideren met een precisie van beter dan één deel in duizend. Dit niveau van nauwkeurigheid is essentieel voor de volgende generatie experimenten, waarbij zelfs de kleinste afwijking van de verwachte resultaten zou kunnen wijzen op nieuwe, onbekende fysica. De simulaties bevestigden ook dat het ontwerp de complexe omgeving nabij het botsingspunt aan kan, waar de bundels onder een lichte hoek kruisen en de deeltjes bewegen met bijna de snelheid van het licht. Door de detector op slechts 500 millimeter van het botsingspunt te plaatsen, toonde het team aan dat zij de deeltjes kunnen vangen voordat ze te veel uitwaaieren, waardoor de metingen scherp en betrouwbaar blijven.

Uiteindelijk gaat dit werk niet alleen over het bouwen van een betere sensor; het gaat erom ervoor te zorgen dat het fundament van toekomstige ontdekkingen solide is. Als de telling van de deeltjes fout is, kunnen de conclusies die uit de data worden getrokken misleidend zijn. Door een detector voor te stellen die de botsende deeltjes schoon kan scheiden van de flitsen van licht die zij uitzenden, bieden de onderzoekers een instrument waarmee wetenschappers hun metingen volledig kunnen vertrouwen. De simulaties suggereren dat dit ontwerp klaar is om gebouwd te worden, en bieden een duidelijk pad vooruit voor de Super Tau Charm Facility en andere toekomstige versnellers om het universum te verkennen met een helderheid die nog nooit eerder is bereikt. Het vermogen om deze subtiele interacties duidelijk te zien, betekent dat wetenschappers de wetten van de natuur kunnen testen met een strengheid die geheimen zou kunnen onthullen die verborgen liggen in de weefsels van de werkelijkheid zelf.