Détecteurs de particules. Principes physiques de détection des particules élémentaires

Les "vrais" détecteurs de particules, comme ceux du Large Hadron Collider, coûtent des millions de dollars et pèsent des centaines de tonnes, mais nous essaierons de nous contenter d'un budget beaucoup plus modeste.

Nous aurons besoin:

glace carbonique (environ 80 roubles par kilogramme, il est conseillé d'acheter un récipient thermique en mousse plastique pour 300 roubles supplémentaires - sinon tout ce que vous avez acheté s'évaporera trop rapidement). Beaucoup de neige carbonique n'est pas nécessaire, un kilogramme suffit ;
alcool isopropylique (coûte 370 roubles pour 0,5 litre, vendu dans les magasins d'équipement radio);
un morceau de feutre (atelier de couture, environ 150 roubles);
colle pour coller le feutre au fond du récipient ("Moment", 150 roubles);
un récipient transparent, comme un aquarium en plastique avec un couvercle (nous avons acheté un récipient alimentaire en plastique dur pour 1,5 mille roubles);
représente la neige carbonique, il peut s'agir d'une cuvette photographique (trouvée dans la cuisine éditoriale) ;
lampe de poche.

Alors, commençons. Vous devez d'abord coller un morceau de feutre au fond du récipient et attendre quelques heures que la colle sèche. Après cela, le feutre doit être trempé dans de l'alcool isopropylique (assurez-vous que l'alcool ne pénètre pas dans vos yeux !). Il est souhaitable que le feutre soit complètement saturé d'alcool dont le reste doit ensuite être égoutté. Versez ensuite de la neige carbonique au fond de la cuvette, fermez le récipient avec un couvercle et placez-le dans de la neige carbonique avec le couvercle vers le bas. Vous devez maintenant attendre que l'air à l'intérieur de la chambre soit saturé de vapeur d'alcool.

Le principe de fonctionnement de la chambre à brouillard (alias "chambre à brouillard") est que même un très faible impact provoque la condensation de la vapeur saturée d'alcool. En conséquence, même l'impact des particules cosmiques provoque la condensation de la vapeur et des chaînes de gouttelettes microscopiques - des traces - se forment dans la chambre.

Vous pouvez regarder l'expérience sur notre vidéo :

Quelques notes d'expérience : vous ne devriez pas acheter trop de neige carbonique - elle s'évaporera complètement en moins d'une journée même dans leur conteneur thermique, et il est peu probable que vous trouviez un réfrigérateur industriel. Il faut que le couvercle du récipient transparent soit noir, par exemple, vous pouvez le fermer par le bas avec du verre noir. Les pistes seront mieux vues sur un fond noir. Vous devez regarder exactement le fond du récipient, où se forme un brouillard caractéristique, semblable à une bruine. C'est dans ce brouillard que des traces de particules apparaissent.

Quelles pistes peuvent être vues:

Ce ne sont pas des particules cosmiques. Les traces courtes et épaisses sont des traces de particules alpha émises par les atomes du gaz radioactif radon, qui suinte en continu des entrailles de la Terre (et s'accumule dans les pièces non ventilées).

De longues traces étroites sont laissées par les muons, les parents lourds (et de courte durée) des électrons. Ils naissent en multitude couches supérieures atmosphère, lorsque des particules de haute énergie entrent en collision avec des atomes et donnent naissance à des pluies entières de particules, principalement constituées de muons.

Les trajectoires courbes sont le signe des électrons ou de leurs antiparticules, les positrons. Ils sont également générés par les rayons cosmiques, entrent en collision avec les molécules d'air et peuvent se déplacer en zigzags.

Si vous avez vu des traces bifurquer, alors vous avez de la chance : vous avez assisté à la désintégration d'une particule en deux.

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Le 29 avril, tard dans la soirée (reprogrammé pour l'instant), la NASA lance le détecteur du Cern en orbite particules élémentaires AMS-02. Ce détecteur a été construit pendant 10 ans, ses "frères" aînés travaillent déjà avec puissance et force au Large Hadron Collider, c'est-à-dire sous terre, et celui-ci s'envolera dans l'espace ! :)

Voici le communiqué de presse du cern, voici le live stream du lancement à partir de 21h30 CET, gazouillement du cern enverra également des rapports. Le lancement et tous les travaux ultérieurs peuvent être suivis sur le site Web de l'expérience. En attendant, je parlerai brièvement de l'appareil et tâches scientifiques.

AMS-02 est un véritable détecteur de particules élémentaires avec (presque) tous ses attributs. Sa taille est de 4 mètres, son poids est de 8,5 tonnes. Bien sûr, il ne peut être comparé à un colosse comme ATLAS, mais pour le lancement dans l'espace (et l'installation sur l'ISS), cela ne suffit pas.

Si les détecteurs souterrains enregistrent les particules nées lors d'une collision artificielle de protons et d'autres particules, alors AMS-02 enregistrera les rayons cosmiques - des particules de très hautes énergies qui nous viennent de l'espace lointain, dispersées sur des "accélérateurs naturels". Les rayons cosmiques, bien sûr, sont étudiés depuis longtemps, près d'un siècle, mais de nombreux mystères leur sont encore associés.

La tâche la plus importante du nouveau détecteur est de mesurer la composition des rayons cosmiques avec une très grande précision. Quelle est la proportion d'antimatière dans les rayons cosmiques ? Comment change-t-il avec l'énergie? Existe-t-il de nouvelles particules stables lourdes (particules de matière noire) en petites quantités qui ne peuvent pas naître dans les collisionneurs, mais que l'Univers a pu donner naissance ? Ou peut-être que certaines caractéristiques subtiles du spectre d'énergie des particules ordinaires indiqueront qu'elles ont été produites par la désintégration de particules superlourdes jusqu'alors inconnues ?

AMS-02 étudiera ces problèmes en enregistrant le passage des particules de rayons cosmiques à travers le matériau du détecteur et en mesurant leur quantité de mouvement, leur vitesse, leur libération d'énergie et leur charge. La "fenêtre" de sensibilité optimale du détecteur en termes d'énergie des particules est d'environ 1 GeV à plusieurs TeV. Cette fenêtre couvre les prédictions de nombreux modèles et chevauche également les fenêtres de sensibilité des détecteurs du LHC. Mais contrairement au Large Hadron Collider, ici l'univers lui-même agit comme un accélérateur, et cela peut avoir des conséquences considérables.

Sous-détecteurs et sous-systèmes AMS-02 ().

Tout comme les détecteurs de sol classiques (plus précisément souterrains), il contient plusieurs systèmes de détection distincts à la fois, mesurant différentes caractéristiques particules. Seulement contrairement à eux, AMS-02 ne regarde pas "dedans", mais "regarde dehors"; il ressemble plus à un segment d'un détecteur moderne avancé.

Le dispositif est brièvement décrit sur le site de l'expérience. Il existe également des détecteurs de piste qui restituent la trajectoire, des détecteurs Cherenkov qui mesurent la vitesse des particules, des calorimètres électromagnétiques qui mesurent l'énergie des particules, et d'autres systèmes. Deux aimants différents sépareront des charges différentes à la fois (j'ai menti). Séparera les charges aimant permanent Alliage de néodyme 0,125 tesla. Et en plus, AMS-02 a quelque chose que les détecteurs souterrains n'ont pas - des capteurs GPS et un système de suivi des étoiles :)

Tout cela a été construit pendant 10 ans, le coût est d'environ 1,5 gigadollars. La collaboration AMS comprend 56 institutions de 16 pays.

L'essentiel est que maintenant cette chose s'est envolée avec succès. Demain soir nous suivrons le lancement !

Des dizaines de milliers de particules élémentaires venues de l'espace traversent notre corps chaque seconde - muons, électrons, neutrinos, etc. Nous ne les sentons pas et ne les voyons pas, mais cela ne signifie pas qu'ils n'existent pas. Cela ne signifie pas qu'ils ne peuvent pas être réparés. Nous offrons aux lecteurs N+1 assemblez de vos propres mains un appareil qui vous permettra de "voir" cette pluie cosmique continue.

Nous aurons besoin:

glace carbonique (environ 80 roubles par kilogramme, il est conseillé d'acheter un récipient thermique en mousse plastique pour 300 roubles supplémentaires - sinon tout ce que vous avez acheté s'évaporera trop rapidement). Beaucoup de neige carbonique n'est pas nécessaire, un kilogramme suffit ;
alcool isopropylique (coûte 370 roubles pour 0,5 litre, vendu dans les magasins d'équipement radio);
un morceau de feutre (atelier de couture, environ 150 roubles);
colle pour coller le feutre au fond du récipient ("Moment", 150 roubles);
un récipient transparent, comme un aquarium en plastique avec un couvercle (nous avons acheté un récipient alimentaire en plastique dur pour 1,5 mille roubles);
représente la neige carbonique, il peut s'agir d'une cuvette photographique (trouvée dans la cuisine éditoriale) ;
lampe de poche.

Vous pouvez regarder l'expérience sur notre vidéo :

Quelles pistes peuvent être vues:

Magazine Symétrie

De longues traces étroites sont laissées par les muons, les parents lourds (et de courte durée) des électrons. Ils sont produits en abondance dans la haute atmosphère lorsque des particules de haute énergie entrent en collision avec des atomes et créent des pluies entières de particules, principalement des muons.

Comme dans n'importe quel expérience physique, lors de l'étude des particules élémentaires, il faut d'abord mettre expérimenter puis S'inscrire ses résultats. L'accélérateur est engagé dans la mise en place de l'expérience (collision de particules), et les résultats des collisions sont étudiés à l'aide détecteurs de particules élémentaires.

Afin de reconstituer l'image de la collision, il faut non seulement savoir quelles particules sont nées, mais aussi mesurer avec une grande précision leurs caractéristiques, principalement la trajectoire, la quantité de mouvement et l'énergie. Tout cela est mesuré à l'aide de différents types de détecteurs, qui entourent le lieu de collision des particules en couches concentriques.

Les détecteurs de particules élémentaires peuvent être divisés en deux groupes : détecteurs de piste, qui mesurent la trajectoire des particules, et calorimètres qui mesurent leurs énergies. Les détecteurs de piste tentent de suivre le mouvement des particules sans introduire de distorsion. Les calorimètres, quant à eux, doivent absorber complètement une particule pour mesurer son énergie. En conséquence, une disposition standard d'un détecteur moderne apparaît: à l'intérieur, il y a plusieurs couches de détecteurs de piste, et à l'extérieur - plusieurs couches de calorimètres, ainsi que des détecteurs de muons. Forme générale un détecteur moderne typique est illustré à la fig. une.

La structure et le principe de fonctionnement des principaux composants des détecteurs modernes sont brièvement décrits ci-dessous. L'accent est mis sur certains des plus principes généraux détection. Pour les détecteurs spécifiques fonctionnant au Grand collisionneur de hadrons, voir Détecteurs au LHC.

Détecteurs de piste

Les détecteurs de piste reconstituent la trajectoire de la particule. Ils sont généralement situés dans la région du champ magnétique, puis l'impulsion de la particule peut être déterminée à partir de la courbure de la trajectoire de la particule.

Le travail des détecteurs de piste est basé sur le fait qu'une particule chargée qui passe crée une traînée d'ionisation - c'est-à-dire qu'elle élimine les électrons des atomes sur son chemin. Dans ce cas, l'intensité d'ionisation dépend à la fois du type de particule et du matériau du détecteur. Les électrons libres sont collectés par l'électronique, dont le signal rapporte les coordonnées des particules.

Détecteur de vertex

sommet(microvertex, pixel) détecteur- Il s'agit d'un détecteur à semi-conducteur multicouche, composé de plaques minces séparées sur lesquelles l'électronique est déposée directement. Il s'agit de la couche la plus interne des détecteurs : elle commence généralement immédiatement à l'extérieur du tube à vide (parfois la première couche est montée directement sur la paroi extérieure du tube à vide) et occupe les premiers centimètres dans la direction radiale. Le silicium est généralement choisi comme matériau semi-conducteur en raison de sa résistance élevée aux rayonnements (les couches internes du détecteur sont exposées à d'énormes doses de rayonnement dur).

Essentiellement, le détecteur de vertex fonctionne de la même manière qu'un capteur d'appareil photo numérique. Lorsqu'une particule chargée traverse cette plaque, elle y laisse une trace, un nuage d'ionisation de plusieurs dizaines de microns. Cette ionisation est lue par l'élément électronique directement sous le pixel. En connaissant les coordonnées des points d'intersection d'une particule avec plusieurs plaques détectrices à pixels consécutives, il est possible de reconstituer les trajectoires tridimensionnelles des particules et de les remonter à l'intérieur du tuyau. Par l'intersection de ces trajectoires reconstruites en un point de l'espace, sommet- le point de naissance de ces particules.

Parfois, il s'avère qu'il existe plusieurs sommets de ce type, et l'un d'eux se trouve généralement directement sur l'axe de collision des faisceaux en collision (sommet principal), et le second est à distance. Cela signifie généralement que les protons sont entrés en collision au sommet primaire et ont immédiatement donné naissance à plusieurs particules, mais certaines d'entre elles ont réussi à voler sur une certaine distance avant de se désintégrer en particules enfants.

Dans les détecteurs modernes, la précision de reconstruction du vertex atteint 10 microns. Cela permet d'enregistrer de manière fiable les cas où les sommets secondaires sont à 100 microns de l'axe de collision. C'est précisément à de telles distances que s'envolent divers hadrons métastables, qui ont un quark c ou b dans leur composition (les hadrons dits "enchantés" et "charmants"). Par conséquent, le détecteur de vertex est outil essentiel détecteur LHCb, dont la tâche principale sera d'étudier ces hadrons.

Les semi-conducteurs fonctionnent sur un principe similaire. détecteurs à microruban, dans lequel, au lieu de petits pixels, les bandes de matériau sensible les plus fines mais plutôt longues sont utilisées. Dans ceux-ci, l'ionisation ne s'installe pas immédiatement, mais se déplace le long de la bande et est lue à son extrémité. Les bandes sont conçues de manière à ce que la vitesse de déplacement du nuage de charge le long de celle-ci soit constante et qu'elle ne se brouille pas. Ainsi, connaissant le moment où la charge arrive sur l'élément de lecture, il est possible de calculer les coordonnées du point où la particule chargée a percé la bande. La résolution spatiale des détecteurs à microruban est moins bonne que celle des détecteurs à pixels, mais ils peuvent couvrir beaucoup plus à propos grande surface, car ils ne nécessitent pas une telle un grand nombreéléments de lecture.

Caméras dérivantes

Caméras dérivantes- Ce sont des chambres remplies de gaz qui sont placées à l'extérieur des détecteurs de piste à semi-conducteurs, où le niveau de rayonnement est relativement faible et une telle précision de détermination de position n'est pas requise, comme avec les détecteurs à semi-conducteurs.

Une chambre à dérive classique est un tube rempli de gaz, à l'intérieur duquel de nombreux fils très fins sont tendus. Il fonctionne comme un détecteur de vertex, mais pas sur une plaque plane, mais en volume. Tous les fils sont sous tension, et leur disposition est choisie de telle manière qu'un uniforme champ électrique. Lorsqu'une particule chargée traverse une chambre à gaz, elle laisse une traînée d'ionisation spatiale. Sous l'influence champ électrique l'ionisation (d'abord les électrons) se déplace à vitesse constante (les physiciens disent « dérives ») le long des lignes de champ vers les fils d'anode. Ayant atteint le bord de la chambre, l'ionisation est immédiatement absorbée par l'électronique, qui transmet une impulsion de signal à la sortie. Comme il y a beaucoup d'éléments de lecture, leurs signaux peuvent être utilisés pour restituer les coordonnées d'une particule qui passe, et donc la trajectoire, avec une bonne précision.

Habituellement, la quantité d'ionisation qui se crée dans chambre à gaz la particule qui passe est petite. Afin d'augmenter la fiabilité de la collecte et de l'enregistrement des charges et de réduire l'erreur dans sa mesure, il est nécessaire d'amplifier le signal avant même qu'il ne soit enregistré par l'électronique. Cela se fait à l'aide d'un réseau spécial de fils d'anode et de cathode tendus près de l'équipement de lecture. En passant près du fil d'anode, le nuage d'électrons génère une avalanche sur celui-ci, à la suite de quoi le signal électronique est multiplié.

Plus le champ magnétique est fort et plus les dimensions du détecteur lui-même sont grandes, plus la trajectoire des particules s'écarte fortement d'une ligne droite, ce qui signifie que plus il est possible de mesurer de manière fiable son rayon de courbure et de reconstruire l'élan des particules à partir de celui-ci. Par conséquent, pour étudier les réactions avec des particules de très hautes énergies, des centaines de GeV et de TeV, il est souhaitable de construire des détecteurs plus grands et d'utiliser champs magnétiques plus forte. Pour des raisons purement techniques, il est généralement possible d'augmenter une seule de ces valeurs au détriment de l'autre. Les deux plus grands détecteurs du LHC - ATLAS et CMS - diffèrent simplement dans laquelle de ces valeurs est optimisée. Au détecteur ATLAS grandes tailles, mais un champ plus petit, alors que le détecteur CMS a un champ plus fort, mais en général il est plus compact.

Caméra à projection temporelle

Un type spécial de chambre à dérive est ce qu'on appelle caméra à projection temporelle(VPK). En fait, le VPK est une grande cellule à dérive cylindrique de plusieurs mètres de diamètre. Dans tout son volume, un champ électrique uniforme est créé le long de l'axe du cylindre. Toute la traînée d'ionisation tourbillonnante, que les particules laissent lorsqu'elles traversent cette chambre, dérive uniformément vers les extrémités du cylindre, conservant sa forme spatiale. Les trajectoires sont en quelque sorte « projetées » sur les extrémités de la chambre, où un large réseau d'éléments de lecture enregistre l'arrivée de la charge. Les coordonnées radiales et angulaires sont déterminées par le numéro du capteur et la coordonnée le long de l'axe du cylindre est déterminée par l'heure d'arrivée du signal. Grâce à cela, il est possible de restituer une image tridimensionnelle du mouvement des particules.

Parmi les expériences en cours au LHC, le détecteur ALICE utilise la caméra à projection temporelle.

Détecteurs de pots romains

Il existe un type spécial de détecteurs de pixels à semi-conducteurs qui fonctionnent directement à l'intérieur du tube à vide, à proximité immédiate du faisceau. Ils ont été proposés pour la première fois dans les années 1970 par un groupe de recherche de Rome et sont depuis devenus connus sous le nom de Pots romains("pots romains").

Les détecteurs Roman Pots ont été conçus pour détecter les particules déviées par de très petits angles lors d'une collision. Les détecteurs conventionnels situés à l'extérieur du tube à vide sont ici inadaptés simplement parce qu'une particule émise sous un angle très faible peut parcourir plusieurs kilomètres à l'intérieur du tube à vide en tournant avec le faisceau principal et en ne s'échappant pas. Afin d'enregistrer de telles particules, il est nécessaire de placer de petits détecteurs à l'intérieur du tube à vide à travers l'axe du faisceau, mais sans toucher le faisceau lui-même.

Pour ce faire, à une certaine section de l'anneau d'accélération, généralement à une distance de centaines de mètres du point de collision des faisceaux en collision, une section spéciale du tube à vide avec des "manchons" transversaux est insérée. Petits, de plusieurs centimètres de taille, des détecteurs de pixels y sont placés sur des plateformes mobiles. Lorsque le faisceau vient d'être injecté, il est encore instable et présente de grandes vibrations transversales. Les détecteurs à ce moment sont cachés à l'intérieur des manchons afin d'éviter les dommages causés par un faisceau direct. Une fois le faisceau stabilisé, les plates-formes sortent de leurs bras et déplacent les matrices sensibles des détecteurs Roman Pots à proximité immédiate du faisceau, à une distance de 1 à 2 millimètres. A la fin du cycle d'accélération suivant, avant de rejeter l'ancien faisceau et d'en injecter un nouveau, les détecteurs sont ramenés dans leurs bras et attendent la prochaine session de fonctionnement.

Les détecteurs de pixels utilisés dans les pots romains diffèrent des détecteurs de vertex conventionnels en ce qu'ils maximisent la partie de la surface de la tranche occupée par les éléments sensibles. En particulier, sur le bord de la plaque, qui est le plus proche du faisceau, il n'y a pratiquement pas de zone "morte" insensible ( "sans bords"-La technologie).

L'une des expériences du Large Hadron Collider, TOTEM, n'utilisera que plusieurs de ces détecteurs. Plusieurs autres projets similaires sont en cours de développement. Le détecteur de vertex de l'expérience LHCb comporte également certains éléments de cette technologie.

Vous pouvez en savoir plus sur ces détecteurs dans l'article du Courrier CERN Pots romains pour le LHC ou dans la documentation technique de l'expérience TOTEM.

Calorimètres

Les calorimètres mesurent l'énergie des particules élémentaires. Pour ce faire, mettez sur le chemin des particules couche épaisse substance dense (généralement un métal lourd - plomb, fer, laiton). Une particule en elle entre en collision avec des électrons ou des noyaux atomiques et génère par conséquent un flux de particules secondaires - douche. L'énergie de la particule initiale est répartie entre toutes les particules de la douche, de sorte que l'énergie de chaque particule individuelle dans cette douche devient petite. En conséquence, la gerbe se coince dans l'épaisseur de la substance, ses particules sont absorbées et annihilées, et une fraction bien définie de l'énergie est libérée sous forme de lumière. Cet éclair lumineux est collecté aux extrémités du calorimètre par des photomultiplicateurs qui le transforment en impulsion électrique. De plus, l'énergie de la douche peut être mesurée en collectant l'ionisation avec des plaques sensibles.

Les électrons et les photons, traversant la matière, entrent principalement en collision avec coquilles d'électrons atomes et génèrent une pluie électromagnétique - un flux d'un grand nombre d'électrons, de positrons et de photons. De telles gerbes se développent rapidement à faible profondeur et sont généralement absorbées par une couche de matière de plusieurs dizaines de centimètres d'épaisseur. Les hadrons de haute énergie (protons, neutrons, mésons pi et mésons K) perdent de l'énergie principalement en raison des collisions avec les noyaux. Dans ce cas, une gerbe de hadrons est générée, qui pénètre beaucoup plus profondément dans l'épaisseur de la matière qu'une gerbe électromagnétique, et de plus, elle est plus large. Ainsi, pour absorber complètement une gerbe hadronique d'une particule de très haute énergie, il faut un ou deux mètres de matière.

La différence entre les caractéristiques des gerbes électromagnétiques et hadroniques est utilisée au maximum dans les détecteurs modernes. Les calorimètres sont souvent fabriqués à deux couches: à l'intérieur se trouvent calorimètres électromagnétiques, dans lequel les douches principalement électromagnétiques sont absorbées, et à l'extérieur - calorimètres hadroniques, qui ne sont "atteints" que par les gerbes de hadrons. Ainsi, les calorimètres mesurent non seulement l'énergie, mais déterminent également le "type d'énergie" - qu'elle soit d'origine électromagnétique ou hadronique. Ceci est très important pour compréhension correcte s'est produit au centre du détecteur de collision de protons.

Pour enregistrer une gerbe par voie optique, le matériau du calorimètre doit avoir des propriétés de scintillation. À scintillateur les photons d'une longueur d'onde sont absorbés très efficacement, entraînant l'excitation des molécules de la substance, et cette excitation est supprimée en émettant des photons de moindre énergie. Pour les photons émis, le scintillateur est déjà transparent, et donc ils peuvent atteindre le bord de la cellule calorimétrique. Les calorimètres utilisent des scintillateurs standards, longuement étudiés, pour lesquels on sait bien quelle partie de l'énergie de la particule initiale est convertie en flash optique.

Pour absorber efficacement les douches, il est nécessaire d'utiliser une substance aussi dense que possible. Il existe deux manières de concilier cette exigence avec les exigences relatives aux scintillateurs. Premièrement, on peut choisir des scintillateurs très lourds et en remplir le calorimètre. Deuxièmement, il est possible de faire une "bouffée" de plaques alternées d'une substance lourde et d'un scintillateur léger. Il existe également des versions plus exotiques de la conception du calorimètre, par exemple des calorimètres "spaghetti", dans lesquels de nombreuses fibres de quartz minces sont noyées dans une matrice absorbante massive. Une douche, se développant le long d'un tel calorimètre, crée de la lumière Cherenkov dans le quartz, qui est sortie à travers les fibres jusqu'à l'extrémité du calorimètre.

La précision de la restauration de l'énergie d'une particule dans un calorimètre s'améliore avec l'augmentation de l'énergie. Pour les particules d'énergie de plusieurs centaines de GeV, l'erreur est d'environ un pour cent pour les calorimètres électromagnétiques et de quelques pour cent pour les hadroniques.

Chambres à muons

Une caractéristique des muons est qu'ils perdent de l'énergie très lentement lorsqu'ils se déplacent dans la matière. Cela est dû au fait que, d'une part, ils sont très lourds, donc ils ne peuvent pas efficacement transférer de l'énergie aux électrons lors d'une collision, et d'autre part, ils ne participent pas à une interaction forte, donc ils sont faiblement diffusés par les noyaux. En conséquence, les muons peuvent parcourir plusieurs mètres de matière avant de s'arrêter, pénétrant là où aucune autre particule ne peut atteindre.

Ceci, d'une part, rend impossible la mesure de l'énergie des muons à l'aide de calorimètres (après tout, un muon ne peut pas être complètement absorbé), mais d'autre part, cela permet de bien distinguer les muons des autres particules. Dans les détecteurs modernes chambres à muons situés dans les couches les plus externes du détecteur, souvent même à l'extérieur de la culasse métallique massive qui crée un champ magnétique dans le détecteur. De tels tubes ne mesurent pas l'énergie, mais la quantité de mouvement des muons, et en même temps, on peut supposer avec une bonne certitude que ces particules sont précisément des muons, et rien d'autre. Il existe plusieurs variétés de chambres à muons utilisées à des fins différentes.

Identification des particules

Une question distincte est identification des particules, c'est-à-dire découvrir quel type de particule a traversé le détecteur. Ce ne serait pas difficile si nous connaissions la masse de la particule, mais c'est précisément celle-ci que nous ne connaissons généralement pas. D'une part, la masse peut en principe être calculée à l'aide des formules de la cinématique relativiste, connaissant l'énergie et la quantité de mouvement de la particule, mais, malheureusement, les erreurs dans leur mesure sont généralement si importantes qu'elles ne permettent pas de distinguer, par exemple , un méson pi d'un muon en raison de leur proximité wt.

Dans cette situation, il existe quatre méthodes principales pour identifier les particules :

Par réponse dans différents types calorimètres et tubes à muons.
Par libération d'énergie dans les détecteurs de voie. Particules diverses produisent différentes quantités d'ionisation par centimètre de trajet, et cela peut être mesuré par la force du signal des détecteurs de piste.
Passant par Compteurs Cherenkov. Si une particule vole à travers un matériau transparent avec un indice de réfraction nà une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce matériau (c'est-à-dire supérieure à c/n), puis il émet un rayonnement Cherenkov dans des directions strictement définies. Si nous prenons l'aérogel comme substance du détecteur (l'indice de réfraction typique n= 1,03), puis le rayonnement Cherenkov des particules se déplaçant à une vitesse de 0,99 c et 0,995 c, différeront sensiblement.
Passant par caméras à temps de vol. Dans ceux-ci, à l'aide de détecteurs à très haute résolution temporelle, le temps de vol d'une particule dans une certaine section de la chambre est mesuré et sa vitesse est calculée à partir de cela.

Chacune de ces méthodes a ses propres difficultés et erreurs, de sorte que l'identification des particules n'est généralement pas garantie d'être correcte. Parfois, un programme de traitement des données "brutes" d'un détecteur peut arriver à la conclusion qu'un muon a traversé le détecteur alors qu'il s'agissait en fait d'un pion. Il est impossible de se débarrasser complètement de telles erreurs. Il ne reste plus qu'à étudier attentivement le détecteur avant de l'utiliser (par exemple, à l'aide de muons cosmiques), à connaître le pourcentage de cas d'identification incorrecte des particules et à toujours en tenir compte lors du traitement de données réelles.

Exigences pour les détecteurs

Les détecteurs de particules modernes sont parfois appelés les "grands frères" des appareils photo numériques. Cependant, il convient de rappeler que les conditions de fonctionnement de la caméra et du détecteur sont fondamentalement différentes.

Tout d'abord, tous les éléments du détecteur doivent être très vite et très précisément synchronisés les uns avec les autres. Au Large Hadron Collider, à des performances optimales, les paquets entreront en collision 40 millions de fois par seconde. A chaque collision, il y aura naissance de particules qui laisseront leur « image » dans le détecteur, et le détecteur ne doit pas « s'étouffer » avec ce flux d'« images ». En conséquence, en 25 nanosecondes, il est nécessaire de collecter toute l'ionisation laissée par les particules volantes, de la transformer en signaux électriques et de nettoyer le détecteur, en le préparant pour la prochaine portion de particules. En 25 nanosecondes, les particules ne parcourent que 7,5 mètres, ce qui est comparable à la taille des grands détecteurs. Alors que l'ionisation des particules qui passent s'accumule dans les couches externes du détecteur, les particules de la prochaine collision volent déjà à travers ses couches internes !

La deuxième exigence clé pour le détecteur est résistance aux radiations. Les particules élémentaires qui s'envolent du lieu de la collision des paquets sont un rayonnement réel et très dur. Par exemple, la dose absorbée attendue de rayonnement ionisant que le détecteur de vertex recevra pendant le fonctionnement est de 300 kilogray plus un flux de neutrons total de 5·10 14 neutrons par cm 2 . Dans ces conditions, le détecteur devrait fonctionner pendant des années et rester utilisable. Cela s'applique non seulement aux matériaux du détecteur lui-même, mais également à l'électronique avec laquelle il est bourré. Il a fallu plusieurs années pour créer et tester une électronique tolérante aux pannes qui fonctionnera dans des conditions de rayonnement aussi difficiles.

Une autre exigence pour l'électronique - faible puissance de sortie. À l'intérieur des détecteurs multimètres, il n'y a pas d'espace libre - chaque centimètre cube de volume est rempli d'équipements utiles. Le système de refroidissement enlève inévitablement le volume de travail du détecteur - après tout, si une particule vole à travers le tube de refroidissement, elle ne sera tout simplement pas enregistrée. Par conséquent, la libération d'énergie de l'électronique (des centaines de milliers de cartes et de fils séparés qui prennent les informations de tous les composants du détecteur) doit être minimale.

Littérature complémentaire :

K. Groupen. "Détecteurs de particules élémentaires" // Siberian Chronograph, Novosibirsk, 1999.
Détecteurs de particules (PDF, 1,8 Mo).
Détecteurs de particules // chapitre de guide d'étude B.S. Ishkhanov, I.M. Kapitonov, E.I. Kabin. « Particules et noyaux. Expérience". M.: Maison d'édition de l'Université d'État de Moscou, 2005.
N. M. Nikityuk. Détecteurs microapex de précision (PDF, 2,9 Mo) // ECHAYA, vol. 28, no. 1, pages 191 à 242 (1997).

Pouce. XXIII nous nous sommes familiarisés avec les dispositifs utilisés pour détecter les microparticules - une chambre à brouillard, un compteur à scintillation, un compteur à décharge gazeuse. Bien que ces détecteurs soient utilisés dans les études de particules élémentaires, ils ne sont pas toujours pratiques. Le fait est que les processus d'interaction les plus intéressants, accompagnés de transformations mutuelles de particules élémentaires, se produisent très rarement. Une particule doit rencontrer beaucoup de nucléons ou d'électrons sur son chemin pour qu'une collision intéressante se produise. En pratique, il doit parcourir un chemin mesuré en dizaines de centimètres - mètres dans la matière dense (sur un tel chemin, une particule chargée d'une énergie de milliards d'électron-volts ne perd qu'une partie de son énergie à cause de l'ionisation).

Cependant, dans une chambre à brouillard ou un compteur à décharge, la couche sensible (en termes de substance dense) est extrêmement mince. En liaison avec cela, certains autres procédés de détection de particules ont été appliqués.

La méthode photographique s'est avérée très fructueuse. Dans les émulsions photographiques spéciales à grains fins, chaque particule chargée traversant l'émulsion laisse une trace qui, après développement de la plaque, est détectée au microscope sous la forme d'une chaîne de grains noirs. Par la nature de la trace laissée par une particule dans une émulsion photographique, on peut déterminer la nature de cette particule - sa charge, sa masse et son énergie. La méthode photographique est pratique non seulement parce que des matériaux épais peuvent être utilisés, mais aussi parce que dans une plaque photographique, contrairement à une chambre à brouillard, les traces de particules chargées ne disparaissent pas rapidement après le passage de la particule. Lors de l'étude d'événements rares, des enregistrements peuvent être exposés Longtemps; ceci est particulièrement utile dans les études sur les rayons cosmiques. Des exemples d'événements rares capturés dans une émulsion photographique sont présentés ci-dessus dans la Fig. 414, 415 ; La figure est particulièrement intéressante. 418.

Une autre méthode remarquable est basée sur l'utilisation des propriétés des liquides surchauffés (voir Tome I, § 299). Lorsqu'un liquide très pur est chauffé à une température même légèrement supérieure au point d'ébullition, le liquide ne bout pas, car la tension superficielle empêche la formation de bulles de vapeur. Le physicien américain Donald Glaeser (né en 1926) a noté en 1952 qu'un liquide surchauffé bout instantanément lorsqu'il est irradié suffisamment intensément ; l'énergie supplémentaire libérée dans les traces d'électrons rapides créées dans le liquide par le rayonnement fournit les conditions de formation des bulles.

Sur la base de ce phénomène, Glaeser a développé la chambre à bulles à liquide. Liquide à hypertension artérielle chauffé à une température proche mais inférieure au point d'ébullition. Ensuite, la pression, et avec elle le point d'ébullition, diminuent et le liquide est surchauffé. Une trace de bulles de vapeur se forme le long de la trajectoire d'une particule chargée traversant le liquide à ce moment. Avec le bon éclairage, il peut être capturé par une caméra. En règle générale, les chambres à bulles sont situées entre les pôles d'un électroaimant puissant, le champ magnétique courbe les trajectoires des particules. En mesurant la longueur de la trace de la particule, le rayon de sa courbure et la densité des bulles, il est possible d'établir les caractéristiques de la particule. Aujourd'hui, les chambres à bulles ont atteint un haut niveau de perfection ; fonctionnent, par exemple, des chambres remplies d'hydrogène liquide, d'un volume sensible de plusieurs mètres cubes. Des exemples de photographies de traces de particules dans une chambre à bulles sont présentés à la fig. 416, 417, 419, 420.

Riz. 418. Transformations de particules enregistrées dans un empilement d'émulsions photographiques irradiées par des rayons cosmiques. À un moment donné, une particule neutre rapide invisible a provoqué la scission d'un des noyaux de l'émulsion et formé des mésons (une "étoile" de 21 pistes). L'un des mésons, le méson -, ayant parcouru un chemin autour (seuls le début et la fin de la trace sont représentés sur la photographie ; avec le grossissement utilisé sur la photographie, la longueur de la trace entière aurait été ), s'est arrêté à un point et pourri selon le schéma . -le méson, dont la trace est dirigée vers le bas, a été capturé par le noyau à la pointe, provoquant son éclatement. L'un des fragments de scission était le noyau qui, par désintégration, s'est transformé en noyau, se désintégrant instantanément en deux particules volant dans des directions opposées - sur l'image, elles forment un «marteau». -méson, s'étant arrêté, s'est transformé en -muon (et neutrino) (point). La fin de la trace -muon est donnée à droite coin supérieur dessin; la trace du positron formé lors de la désintégration est visible.

Riz. 419. Formation et désintégration des -hypérons. Dans une chambre à bulles à hydrogène dans un champ magnétique et irradiée avec des antiprotons, la réaction . Il s'est produit au point final de la piste (voir schéma en haut de la figure). Les hyperons lambda et anti-lambda neutres, ayant parcouru une courte distance sans formation de trace, se désintègrent selon les schémas. L'antiproton s'annihile avec le proton, formant deux et deux mésons quantiques sur le proton ; le proton n'est pas traces visibles, car, en raison de la grande masse, il ne reçoit pas suffisamment d'énergie lors de l'interaction avec le -quantum