Detektor STAR przechodził w swoim życiu wiele większych lub większych zmian, niektóre detektory modyfikowano, inne zastępowano innymi, to jak zmieniała się geometria można prześledzić na tej stronie. Zasadniczo STAR ma kształt walca przez którego oś przechodzi rura z wiązką. "Podstawy walca" zwane są również wschodnią i zachodnią stroną detektora. Zarys detektora przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1 Detektor STAR (zdjęcie z https://drupal.star.bnl.gov/STAR/book/export/html/7410)
Najważniejsze detektory STAR-a to:
- TPC - komora projekcji czasowej, podstawowy detektor to mierzenia właściwości cząstek (pędów, ładunków)
- BBC - detektor zbudowany na wschodniej/zachodniej ścianie STAR-a, służy m.in. do pomiary polaryzacji wiązek, zbudowany ze scyntylatorów w kształcie sześciokątów [1]
- ZDC - kalorymetr, również umieszczony na wschodniej i zachodniej ścianie STAR-a głównym zadaniem jest pomiar neutronów emitowanych w kierunku zbliżonym do kierunku zderzanych cząstek. Pomiar energii tych elektronów pomaga określić centralność/krotność zderzeń [1]
- ECAL - kalorymetr umieszczony dookoła STAR-a, służy głównie do pomiarów m.in. dżetów, fotonów bezpośrednich, elektronów, pi0 [1]
- EMC - kalorymetr umieszczony na jedne ze ścian STAR-a, posiada podobne zadanie jak ECAL z tym że dedykowany jest pomiarom cząstek o rapidity rzędu 1-2 aj [1]
- TOF - detektor czasu przelotu, umożliwia identyfikację cząstek (jeśli znany jest pęd takiej cząstki)
Skupmy się na najważniejszych dwóch detektorach z punktu widzenia większości analiz - TPC i TOF.
TOF - Time of Flight. To detektor mierzący czas przelotu cząstek. Działa w technologi MRPC (multi-gap resistive plate chamber). Budową przypomina trochę kanapkę. W środku znajdują się warstwy naprzemiennie gazu oraz szklanych płytek o wysokiej rezystancji. Dwie zewnętrzne płytki są podłączone do elektrod generujących wysokie napięcie. Na zewnątrz tej kanapki znajdują się układy czytające sygnał. Gdy naładowana cząstka leci przez detektor, jonizuje ona gaz. Ponieważ gaz znajduje się w polu elektrycznym dochodzi do wzmocnienia jonizacji i tworzy się lawina jonów. W każdej warstwie gazu tworzy się osobna lawina. Jednocześnie ponieważ szklane płytki nie przewodzą prądu lawiny się nie łączą (to by mogło doprowadzić do zwarcia między elektrodami). Mamy więc wiele lawin które generują sygnał rejestrowany przez elektronikę. Tego typu detektor charakteryzuje się bardzo szybkim i dokładnym pomiarem czasu przelotu cząstki. Mając czas przelotu cząstki oraz pęd cząstki (z innych detektorów) można wyznaczyć masę cząstki, która pozwala na jej zidentyfikowanie (określenie rodzaju).
TPC - Time Projection Chamber - detektor projekcji czasowej. W przypadku STAR-a detektor to walec. TPC to serce STAR-a. W uproszczeniu można powiedzieć, że to TPC rejestruje cząstki, a pozostałe detektory uzupełniają informacje o zarejestrowanych w TPC cząstkach. Po tego detektora środku jest elektroda, która generuje pole elektryczne. Pole powoduje, że elektrony wytworzone przy jonizacji gazu przez cząstkę wytworzoną w zderzeniu, będą lecieć w kierunku "podstaw" walca TPC. Na każdej ściance (podstawie, ściany boczne w zasadzie nie biorą udziału w rejestracji) znajdują się MWPC (Multi-Wire Proportional Chamber) - komory drutowe. Na końcach TPC znajdują się warstwy drutów. Warstwa najbardziej wewnątrz TPC "gating grid" umożliwia zablokowanie dryfu elektronów na TPC poprzez przyłożenie odpowiedniego napięcia. Najbardziej zewnętrzna warstwa "anode grid" dzięki przyłożeniu odpowiedniego napięcia, wywołuje wtórną jonizację gazu - jonizacja ta indukuje ładunki na padach, które są podłączone do elektroniki zbierającej sygnał. TPC zasadniczo mierzy więc bezpośrednio dwie współrzędne, ponieważ pady są dwuwymiarowe. Trzecią współrzędną otrzymuje się, mierząc czas dotarcia sygnału do padu - ślad zostawiony w środku TPC leci dłużej do "ścianek" niż ten zostawiony bliżej nich. TPC nie rejestruje śladu cząstki jako ciągłej linii - a w postaci serii punktów - to na ich podstawie rekonstruuje się trajektorie cząstki (co nie jest proste biorąc pod uwagę, że czasem mamy setki cząstek i każda potrafi "wygenerować" kilkadziesiąt "punktów"). Dodatkową informacja oprócz położenia tych punktów, jest też informacja o tym jaką energię w danym punkcje zostawiła cząstka jonizując gaz. Ponieważ TPC znajduje się w polu magnetycznym cząstki naładowane poruszają się po trajektorii zakrzywionej. Ostatecznie więc TPC daje nam informacje o tym:
- jak leciała cząstka (położenia punktów)
- jaki miała pęd (możliwe jest to dzięki temu, że cząstka leci w polu magnetycznym - im mniejszy pęd tym bardziej zakrzywiony jest tor cząstki)
- jak szybko cząstka traciła energię jonizując gaz
Ta ostatnia informacja jest użyteczna przy identyfikacji. Cząstki o niskim pędzie w zależności od rodzaju tracą znacząco inne ilości energii - protony np. tracą jej dużo więcej niż np. piony (patrz rysunek 2). Dla większych pędów straty na jonizację stają się podobne, tj. niezależne od rodzaju cząstek, dlatego do identyfikacji cząstek o dużych pędach zwykle używa się TOF. Można tu zapytać - czemu więc nie używa się TOF zawsze? Odpowiedź jest prosta - TOF nie zawsze rejestruje czas przelotu cząstki zarejestrowanej przez TPC.
Straty jonizacyjne zarejestrowane w detektorze TPC w eksperymencie ALICE. Podobnie wygląda to w detektorze STAR. Rysunek z publikacji "Search for weakly decaying $\Lambda n^{-}$ and $\Lambda\Lambda$ exotic bound states in central Pb–Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}}=2.76$ TeV" (2015) Physics Letters B 752(C)