Detektori čestica. Fizikalni principi detekcije elementarnih čestica

"Pravi" detektori čestica, poput onih na Velikom hadronskom sudaraču, koštaju milijune dolara i teže stotine tona, ali pokušat ćemo se zadovoljiti puno skromnijim proračunom.

Mi ćemo trebati:

suhi led (oko 80 rubalja po kilogramu, preporučljivo je kupiti pjenasti plastični termo spremnik za još 300 rubalja - inače će sve što ste kupili prebrzo ispariti). Puno suhog leda nije potrebno, dovoljan je kilogram;
izopropil alkohol (košta 370 rubalja po 0,5 litara, prodaje se u trgovinama radio opreme);
komad filca (šivaća radnja, oko 150 rubalja);
ljepilo za lijepljenje filca na dno posude ("Moment", 150 rubalja);
prozirna posuda, kao što je plastični akvarij s poklopcem (kupili smo tvrdi plastični spremnik za hranu za 1,5 tisuća rubalja);
stalak za suhi led, može biti fotografska kiveta (nalazi se u redakcijskoj kuhinji);
svjetiljka.

Pa počnimo. Prvo morate zalijepiti komad filca na dno posude i pričekati nekoliko sati da se ljepilo osuši. Nakon toga filc se mora natopiti izopropilnim alkoholom (pazite da vam alkohol ne dospije u oči!). Poželjno je da filc bude potpuno zasićen alkoholom, a ostatak se zatim mora ocijediti. Zatim ulijte suhi led na dno kivete, zatvorite posudu poklopcem i stavite je u suhi led s poklopcem prema dolje. Sada morate pričekati da se zrak unutar komore zasiti alkoholnom parom.

Princip rada komore za oblake (tzv. "komora za maglu") je da čak i vrlo slab udar uzrokuje kondenzaciju zasićene pare alkohola. Kao rezultat, čak i udar kozmičkih čestica uzrokuje kondenzaciju para, a u komori nastaju lanci mikroskopskih kapljica - tragovi.

Eksperiment možete pogledati na našem videu:

Nekoliko napomena iz iskustva: ne biste trebali kupovati previše suhog leda - on će potpuno ispariti za manje od jednog dana čak iu njihovoj termalnoj posudi, a teško da ćete pronaći industrijski hladnjak. Potrebno je da poklopac prozirne posude bude crn, na primjer, možete ga zatvoriti odozdo crnim staklom. Tragovi će se bolje vidjeti na crnoj pozadini. Morate pogledati točno dno posude, gdje se stvara karakteristična magla, slična kiši koja romi. U toj magli se pojavljuju tragovi čestica.

Koje se pjesme mogu vidjeti:

To nisu kozmičke čestice. Kratki i debeli tragovi su tragovi alfa čestica koje emitiraju atomi radioaktivnog plina radona, koji kontinuirano curi iz utrobe Zemlje (i nakuplja se u neprozračenim prostorijama).

Duge uske tragove ostavljaju mioni, teški (i kratkotrajni) srodnici elektrona. Rađaju se u mnoštvu gornjih slojeva atmosfere, kada se čestice visoke energije sudaraju s atomima i stvaraju čitave pljuskove čestica, koje se većinom sastoje od miona.

Zakrivljene putanje su znak elektrona ili njihovih antičestica, pozitrona. Također ih stvaraju kozmičke zrake, sudaraju se s molekulama zraka i mogu se kretati u cik-cak.

Ako ste vidjeli kako se tragovi rastavljaju, onda ste sretni: svjedočili ste raspadu jedne čestice na dvije.

Svidjelo se? Pretplatite se na N+1 na

29. travnja, kasno navečer (za sada pomaknuto), NASA lansira detektor Cern u orbitu elementarne čestice AMS-02. Ovaj detektor se gradio 10 godina, njegova starija "braća" već uvelike rade na Velikom hadronskom sudaraču, odnosno pod zemljom, a ovaj će letjeti u svemir! :)

Ovdje je priopćenje za javnost cerna, ovdje je live stream lansiranja s početkom u 21:30 CET, cern twitter također će poslati izvješća. Lansiranje i sav daljnji rad mogu se pratiti na web stranici eksperimenta. U međuvremenu ću ukratko govoriti o uređaju i znanstveni zadaci.

AMS-02 je pravi detektor elementarnih čestica sa (gotovo) svim svojim atributima. Njegova veličina je 4 metra, težina 8,5 tona. Naravno, ne može se usporediti s takvim kolosom kao što je ATLAS, ali za lansiranje u svemir (i instalaciju na ISS) to nije dovoljno.

Ako podzemni detektori registriraju čestice nastale tijekom sudara protona i drugih čestica koje je napravio čovjek, tada će AMS-02 registrirati kozmičke zrake – čestice vrlo visokih energija koje nam dolaze iz dubokog svemira, raspršene na “prirodnim akceleratorima”. Kozmičke zrake se, naravno, proučavaju dugo, gotovo jedno stoljeće, ali mnoge su misterije još uvijek povezane s njima.

Najvažniji zadatak novog detektora je mjerenje sastava kozmičkih zraka s ultra-visokom točnošću. Koliki je udio antimaterije u kozmičkim zrakama? Kako se mijenja s energijom? Postoje li neke nove teške stabilne čestice (čestice tamne materije) u malim količinama koje se ne mogu roditi u sudaračima, ali koje je Svemir mogao proizvesti? Ili će možda neke suptilne značajke u energetskom spektru običnih čestica ukazivati na to da su nastale raspadom dosad nepoznatih superteških čestica?

AMS-02 će proučavati ove probleme registrirajući prolazak čestica kozmičkih zraka kroz materijal detektora i mjereći njihov zamah, brzinu, oslobađanje energije i naboj. "Prozor" optimalne osjetljivosti detektora u smislu energije čestica je od oko 1 GeV do nekoliko TeV. Ovaj prozor pokriva predviđanja mnogih modela i također se preklapa s prozorima osjetljivosti detektora na LHC-u. No, za razliku od Velikog hadronskog sudarača, ovdje sam svemir djeluje kao akcelerator, a to može imati dalekosežne posljedice.

Poddetektori i podsustavi AMS-02 ().

Kao i klasični zemaljski (točnije, podzemni) detektori, sadrži nekoliko odvojenih detektorskih sustava odjednom, mjerenje različite karakteristikečestice. Samo za razliku od njih, AMS-02 ne viri "unutra", već "gleda van"; više izgleda kao jedan segment naprednog modernog detektora.

Uređaj je ukratko opisan na mjestu pokusa. Tu su i detektori traga koji obnavljaju putanju, detektori Čerenkova koji mjere brzinu čestica, elektromagnetski kalorimetri koji mjere energiju čestica i drugi sustavi. Dva različita magneta razdvojit će različite naboje odjednom (lagao sam). Odvojit će troškove trajni magnet Legura neodima 0,125 Tesla. A osim toga, AMS-02 ima nešto što podzemni detektori nemaju - GPS senzore i sustav za praćenje zvijezda :)

Sve je to građeno 10 godina, cijena je oko 1,5 gigadolara. Suradnja AMS-a uključuje 56 institucija iz 16 zemalja.

Glavna stvar je da je sada ova stvar uspješno odletjela. Sutra navečer pratimo lansiranje!

Kroz naše tijelo svake sekunde prolijeću deseci tisuća elementarnih čestica iz svemira – mioni, elektroni, neutrini i tako dalje. Ne osjećamo ih i ne vidimo, ali to ne znači da ne postoje. To ne znači da se ne mogu popraviti. Nudimo čitateljima N+1 sastavite uređaj vlastitim rukama koji će vam omogućiti da "vidite" ovu kontinuiranu kozmičku kišu.

"Pravi" detektori čestica, poput onih na Velikom hadronskom sudaraču, koštaju milijune dolara i teže stotine tona, ali pokušat ćemo se zadovoljiti puno skromnijim proračunom.

Mi ćemo trebati:

suhi led (oko 80 rubalja po kilogramu, preporučljivo je kupiti pjenasti plastični termo spremnik za još 300 rubalja - inače će sve što ste kupili prebrzo ispariti). Puno suhog leda nije potrebno, dovoljan je kilogram;
izopropil alkohol (košta 370 rubalja po 0,5 litara, prodaje se u trgovinama radio opreme);
komad filca (šivaća radnja, oko 150 rubalja);
ljepilo za lijepljenje filca na dno posude ("Moment", 150 rubalja);
prozirna posuda, kao što je plastični akvarij s poklopcem (kupili smo tvrdi plastični spremnik za hranu za 1,5 tisuća rubalja);
stalak za suhi led, može biti fotografska kiveta (nalazi se u redakcijskoj kuhinji);
svjetiljka.

Eksperiment možete pogledati na našem videu:

Koje se pjesme mogu vidjeti:

Časopis Symmetry

Duge uske tragove ostavljaju mioni, teški (i kratkotrajni) srodnici elektrona. Nastaju u izobilju u gornjim slojevima atmosfere kada se čestice visoke energije sudare s atomima i stvaraju čitave pljuskove čestica, uglavnom miona.

Kao u bilo kojem fizički eksperiment, kada se proučavaju elementarne čestice, potrebno je prvo staviti eksperiment i onda Registar njegove rezultate. Akcelerator se bavi postavljanjem eksperimenta (sudar čestica), a rezultati sudara proučavaju se pomoću detektori elementarnih čestica.

Da bi se rekonstruirala slika sudara, potrebno je ne samo otkriti koje su se čestice rodile, već i s velikom točnošću izmjeriti njihove karakteristike, prvenstveno putanju, zamah i energiju. Sve se to mjeri pomoću različitih tipova detektora, koji okružuju mjesto sudara čestica u koncentričnim slojevima.

Detektori elementarnih čestica mogu se podijeliti u dvije grupe: detektori tragova, koji mjere putanju čestica, i kalorimetri koji mjere njihovu energiju. Detektori tragova pokušavaju pratiti kretanje čestica bez unošenja ikakvih izobličenja. Kalorimetri, s druge strane, moraju potpuno apsorbirati česticu kako bi izmjerili njezinu energiju. Kao rezultat toga, nastaje standardni izgled modernog detektora: unutar se nalazi nekoliko slojeva detektora tragova, a izvana - nekoliko slojeva kalorimetara, kao i posebnih detektori miona. Opći oblik tipičan moderni detektor prikazan je na sl. jedan.

Struktura i princip rada glavnih komponenti modernih detektora ukratko su opisani u nastavku. Naglasak je na nekima od najviše generalni principi otkrivanje. Za specifične detektore koji rade na Velikom hadronskom sudaraču pogledajte Detektori na LHC-u.

Detektori tragova

Tračni detektori rekonstruiraju putanju čestice. Obično se nalaze u području magnetskog polja, a tada se impuls čestice može odrediti iz zakrivljenosti putanje čestice.

Rad detektora tragova temelji se na činjenici da prolazna nabijena čestica stvara ionizacijski trag – odnosno izbacuje elektrone iz atoma na svom putu. U ovom slučaju, intenzitet ionizacije ovisi i o vrsti čestice i o materijalu detektora. Slobodne elektrone prikuplja elektronika, signal iz koje javlja koordinate čestica.

Vertex detektor

vrh(mikrovrh, piksel) detektor- Ovo je višeslojni poluvodički detektor, koji se sastoji od zasebnih tankih ploča s elektronikom nanesenom izravno na njih. Ovo je najnutarnji sloj detektora: obično počinje neposredno izvan vakuumske cijevi (ponekad se prvi sloj montira izravno na vanjsku stijenku vakuumske cijevi) i zauzima prvih nekoliko centimetara u radijalnom smjeru. Silicij se obično bira kao poluvodički materijal zbog njegove visoke otpornosti na zračenje (unutarnji slojevi detektora izloženi su velikim dozama tvrdog zračenja).

U biti, detektor vrhova radi na isti način kao senzor digitalne kamere. Kada nabijena čestica proleti kroz ovu ploču, ona u njoj ostavlja trag – ionizacijski oblak veličine nekoliko desetaka mikrona. Ovu ionizaciju čita elektronički element izravno ispod piksela. Poznavajući koordinate presječnih točaka čestice s nekoliko uzastopnih ploča detektora piksela, moguće je rekonstruirati trodimenzionalne putanje čestica i pratiti ih natrag unutar cijevi. Kroz sjecište takvih rekonstruiranih putanja u nekoj točki u prostoru, vrh- točka u kojoj su ove čestice rođene.

Ponekad se pokaže da postoji nekoliko takvih vrhova, a jedan od njih obično leži izravno na osi sudara sudarajućih greda (primarni vrh), a drugi je na udaljenosti. To obično znači da su se protoni sudarili na primarnom tjemenu i odmah nastali nekoliko čestica, ali su neke od njih uspjele preletjeti neku udaljenost prije nego što su se raspale u podređene čestice.

U modernim detektorima, točnost rekonstrukcije vrha doseže 10 mikrona. To omogućuje pouzdano registriranje slučajeva kada su sekundarni vrhovi udaljeni 100 mikrona od osi sudara. Upravo na takvim udaljenostima odlijeću razni metastabilni hadroni koji u svom sastavu imaju c- ili b-kvark (tzv. "začarani" i "šarmantni" hadroni). Stoga je detektor vrhova bitan alat detektor LHCb, čiji će glavni zadatak biti proučavanje ovih hadrona.

Poluvodiči rade na sličnom principu. mikrotrakasti detektori, u kojem se umjesto malih piksela koriste najtanje, ali prilično dugačke trake osjetljivog materijala. U njima se ionizacija ne taloži odmah, već se pomiče duž trake i očitava se na njezinu kraju. Trake su dizajnirane na način da je brzina pomicanja oblaka naboja po njima konstantna i da se ne zamuće. Stoga, znajući trenutak kada naboj stiže na element za očitavanje, moguće je izračunati koordinate točke u kojoj je nabijena čestica probila traku. Prostorna razlučivost mikrotrakastih detektora je lošija od one kod pikselnih detektora, ali mogu pokriti mnogo više oko velika površina, budući da to ne zahtijevaju veliki broj elementi čitanja.

Kamere za drift

Kamere za drift- Riječ je o komorama punjenim plinom koje se postavljaju izvan poluvodičkih tračničkih detektora, gdje je razina zračenja relativno niska i nije potrebna tako visoka točnost određivanja položaja, kao kod poluvodičkih detektora.

Klasična drift komora je cijev napunjena plinom, unutar koje su razvučene mnoge vrlo tanke žice. Radi kao detektor vertexa, ali ne na ravnoj ploči, već u volumenu. Sve žice su pod napetosti, a njihov raspored je odabran na takav način da je uniforma električno polje. Kada nabijena čestica proleti kroz plinsku komoru, ona ostavlja prostorni ionizacijski trag. Pod utjecajem električno polje ionizacija (prije svega, elektroni) kreće se konstantnom brzinom (fizičari kažu "driftuje") duž linija polja prema anodnim žicama. Dolaskom do ruba komore elektronika odmah apsorbira ionizaciju koja na izlaz prenosi signalni impuls. Budući da ima puno elemenata za čitanje, signali iz njih mogu se koristiti za vraćanje koordinata čestice koja prolazi, a time i putanje, s dobrom točnošću.

Obično količina ionizacije koja stvara u plinska komora prolazna čestica je mala. Kako bi se povećala pouzdanost prikupljanja i registracije naboja te smanjila pogreška u njegovom mjerenju, potrebno je pojačati signal i prije nego što ga elektronika registrira. To se radi pomoću posebne mreže anodnih i katodnih žica koje se protežu u blizini opreme za čitanje. Prolazeći u blizini anodne žice, oblak elektrona na njoj stvara lavinu, zbog čega se elektronički signal umnožava.

Što je jače magnetsko polje i što su veće dimenzije samog detektora, putanja čestice jače odstupa od ravne linije, što znači da je pouzdanije moguće izmjeriti njezin polumjer zakrivljenosti i iz toga rekonstruirati impuls čestice. Stoga je za proučavanje reakcija s česticama vrlo visokih energija, stotina GeV i TeV, poželjno izgraditi veće detektore i koristiti magnetska polja jači. Iz čisto inženjerskih razloga, obično je moguće povećati samo jednu od ovih vrijednosti na račun druge. Dva najveća detektora na LHC-u - ATLAS i CMS - razlikuju se samo po tome koja je od ovih vrijednosti optimizirana. Na detektoru ATLAS veće veličine, ali manjeg polja, dok CMS detektor ima jače polje, ali je općenito kompaktniji.

Kamera za vremensku projekciju

Posebna vrsta drift komore je tzv kamera za vremensku projekciju(VPK). Zapravo, VPK je jedna velika, nekoliko metara velika, cilindrična drift ćelija. U cijelom svom volumenu stvara se jednoliko električno polje duž osi cilindra. Cijeli vrtložni ionizacijski trag koji čestice ostavljaju kada lete kroz ovu komoru jednoliko se odmiče do krajeva cilindra, zadržavajući svoj prostorni oblik. Putanja su, takoreći, "projicirane" na krajeve komore, gdje veliki niz elemenata za očitavanje bilježi dolazak naboja. Radijalne i kutne koordinate određene su brojem senzora, a koordinata duž osi cilindra određena je vremenom dolaska signala. Zahvaljujući tome, moguće je obnoviti trodimenzionalnu sliku kretanja čestica.

Među eksperimentima koji se izvode na LHC-u, detektor ALICE koristi kameru za vremensku projekciju.

Detektori rimskih lonaca

Postoji posebna vrsta poluvodičkih detektora piksela koji rade izravno unutar vakuumske cijevi, u neposrednoj blizini grede. Prvi put ih je 1970-ih predložila istraživačka skupina iz Rima i od tada su postali poznati kao Rimske posude("Rimski lonci").

Detektori Roman Pots dizajnirani su za otkrivanje čestica koje su odstupile za vrlo male kutove tijekom sudara. Konvencionalni detektori smješteni izvan vakuumske cijevi ovdje su neprikladni jednostavno zato što čestica emitirana pod vrlo malim kutom može letjeti mnogo kilometara unutar vakuumske cijevi, okrećući se zajedno s glavnim snopom i ne pobjeći. Da bi se takve čestice registrirale, potrebno je postaviti male detektore unutar vakuumske cijevi preko osi snopa, ali bez dodirivanja same zrake.

Da biste to učinili, na određenom dijelu prstena za ubrzanje, obično na udaljenosti od stotine metara od točke sudara sudarajućih greda, umetnut je poseban dio vakuumske cijevi s poprečnim "rukavima". U njima su na mobilnim platformama postavljeni mali, nekoliko centimetara veliki detektori piksela. Kada se snop upravo ubrizgava, još uvijek je nestabilan i velik poprečne vibracije. Detektori su u ovom trenutku skriveni unutar rukava kako bi se izbjegla oštećenja od izravnog udara snopa. Nakon što se snop stabilizira, platforme se pomiču iz svojih ruku i pomiču osjetljive matrice detektora Roman Pots u neposrednoj blizini snopa, na udaljenosti od 1-2 milimetra. Na kraju sljedećeg ciklusa akceleratora, prije nego što ispuste staru zraku i ubrizgaju novu, detektori se povlače u svoje ruke i čekaju sljedeću sesiju rada.

Detektori piksela koji se koriste u rimskim posudama razlikuju se od konvencionalnih vertex detektora po tome što maksimiziraju dio površine pločice koji zauzimaju senzorski elementi. Konkretno, na rubu ploče, koji je najbliži snopu, praktički nema neosjetljive "mrtve" zone ( "bez rubova"-tehnologija).

Jedan od eksperimenata na Velikom hadronskom sudaraču, TOTEM, koristit će samo nekoliko ovih detektora. U izradi je još nekoliko sličnih projekata. Detektor vrhova LHCb eksperimenta također nosi neke elemente ove tehnologije.

Više o ovim detektorima možete pročitati u članku CERN Courier Rimske posude za LHC ili u tehničkoj dokumentaciji eksperimenta TOTEM.

Kalorimetri

Kalorimetri mjere energiju elementarnih čestica. Da biste to učinili, stavite na put čestica debeli sloj gusta tvar (obično teški metal - olovo, željezo, mjed). Čestica se u njemu sudara s elektronima ili atomskim jezgrama i kao rezultat toga stvara tok sekundarnih čestica - tuš. Energija početne čestice raspoređuje se na sve čestice tuša, tako da energija svake pojedine čestice u tom tušu postaje mala. Kao rezultat, tuš se zaglavi u debljini tvari, njegove se čestice upijaju i uništavaju, a neki, sasvim određeni, djelić energije oslobađa se u obliku svjetlosti. Ovaj bljesak svjetlosti prikuplja se na krajevima kalorimetra pomoću fotomultiplikatora koji ga pretvara u električni impuls. Osim toga, energija tuširanja može se izmjeriti prikupljanjem ionizacije s osjetljivim pločama.

Elektroni i fotoni, prolazeći kroz materiju, sudaraju se uglavnom s elektronske ljuske atoma i stvaraju elektromagnetski pljusak – struju velikog broja elektrona, pozitrona i fotona. Takvi se pljuskovi brzo razvijaju na malim dubinama i obično se upijaju u sloj tvari debljine nekoliko desetaka centimetara. Visokoenergetski hadroni (protoni, neutroni, pi-mezoni i K-mezoni) gube energiju uglavnom zbog sudara s jezgrama. U tom slučaju nastaje hadronski pljusak koji prodire mnogo dublje u debljinu materije od elektromagnetskog, a osim toga je i širi. Stoga, da bi se u potpunosti apsorbirao hadronski pljusak iz čestice vrlo visoke energije, potrebno je jedan ili dva metra materije.

Razlika između karakteristika elektromagnetskih i hadronskih tuševa maksimalno se koristi u modernim detektorima. Kalorimetri se često izrađuju dvoslojni: iznutra se nalaze elektromagnetski kalorimetri, u kojem se apsorbiraju pretežno elektromagnetski tuševi, a izvan - hadronski kalorimetri, do kojih "dopiru" samo hadronski pljuskovi. Dakle, kalorimetri ne samo da mjere energiju, već određuju i "vrstu energije" - je li elektromagnetskog ili hadronskog porijekla. Ovo je vrlo važno za ispravno razumijevanje dogodio u središtu detektora protonskog sudara.

Za registraciju tuša optičkim putem, materijal kalorimetra mora imati scintilirajuća svojstva. NA scintilator fotoni jedne valne duljine apsorbiraju se vrlo učinkovito, što dovodi do pobuđivanja molekula tvari, a ta se pobuda uklanja emitiranjem fotona niže energije. Za emitirane fotone scintilator je već proziran i stoga mogu doći do ruba kalorimetrijske ćelije. Kalorimetri koriste standardne, dugo proučavane scintilatore, za koje je dobro poznato koji se dio energije početne čestice pretvara u optički bljesak.

Za učinkovito apsorpciju tuševa potrebno je koristiti što gušću tvar. Postoje dva načina da se ovaj zahtjev uskladi sa zahtjevima za scintilatore. Prvo, može se odabrati vrlo teške scintilatore i njima napuniti kalorimetar. Drugo, moguće je napraviti "puff" izmjeničnih ploča teške tvari i laganog scintilatora. Postoje i egzotičnije verzije dizajna kalorimetra, na primjer, "špageti" kalorimetri, u kojima su mnoga tanka kvarcna vlakna ugrađena u masivnu apsorbersku matricu. Tuš, koji se razvija duž takvog kalorimetra, stvara Čerenkovljevo svjetlo u kvarcu, što izlazi kroz vlakna do kraja kalorimetra.

Točnost obnavljanja energije čestice u kalorimetru poboljšava se povećanjem energije. Za čestice s energijama od stotina GeV pogreška je oko postotak za elektromagnetske kalorimetre i nekoliko posto za hadronske.

Muonske komore

Karakteristična karakteristika miona je da gube energiju vrlo sporo dok se kreću kroz materiju. To je zbog činjenice da su, s jedne strane, vrlo teški, stoga ne mogu učinkovito prenijeti energiju na elektrone u sudaru, a drugo, ne sudjeluju u jakoj interakciji, stoga su slabo raspršeni jezgrama. Kao rezultat toga, mioni mogu preletjeti mnogo metara materije prije nego što se zaustave, prodirući tamo gdje druge čestice ne mogu doći.

To, s jedne strane, onemogućuje mjerenje energije miona pomoću kalorimetara (uostalom, mion se ne može potpuno apsorbirati), ali s druge strane omogućuje dobro razlikovanje miona od drugih čestica. U modernim detektorima mionske komore smješteni u krajnjim slojevima detektora, često čak i izvan masivnog metalnog jarma koji stvara magnetsko polje u detektoru. Takve cijevi ne mjere energiju, već zamah miona, a pritom se može s dobrom sigurnošću pretpostaviti da su te čestice upravo mioni, a ne bilo što drugo. Postoji nekoliko vrsta mionskih komora koje se koriste u različite svrhe.

Identifikacija čestica

Zasebno je pitanje identifikacija čestica, odnosno saznati kakva je čestica proletjela kroz detektor. To ne bi bilo teško kada bismo znali masu čestice, ali upravo to obično ne znamo. S jedne strane, masa se u principu može izračunati pomoću formula relativističke kinematike, poznavajući energiju i zamah čestice, ali su, nažalost, pogreške u njihovom mjerenju obično toliko velike da ne dopuštaju razlikovanje npr. , pi-mezon iz miona zbog njihove blizine wt.

U ovoj situaciji postoje četiri glavne metode za identifikaciju čestica:

Po odgovor u različiti tipovi kalorimetri i mionske cijevi.
Po oslobađanje energije u detektorima kolosijeka. Razne čestice proizvode različite količine ionizacije po centimetru puta, a to se može mjeriti jačinom signala iz detektora tragova.
Preko Čerenkov kontrira. Ako čestica proleti kroz prozirni materijal s indeksom loma n brzinom većom od brzine svjetlosti u tom materijalu (odnosno većom od c/n), tada emitira Čerenkovljevo zračenje u strogo određenim smjerovima. Ako kao detektorsku tvar uzmemo aerogel (tipični indeks loma n= 1,03), zatim Čerenkovljevo zračenje čestica koje se kreću brzinom od 0,99 c i 0,995 c, bitno će se razlikovati.
Preko kamere za vrijeme leta. U njima se uz pomoć detektora vrlo visoke vremenske razlučivosti mjeri vrijeme leta čestice u određenom dijelu komore i iz toga izračunava njena brzina.

Svaka od ovih metoda ima svoje poteškoće i pogreške, pa se obično ne jamči da će identifikacija čestica biti točna. Ponekad program za obradu "sirovih" podataka iz detektora može doći do zaključka da je kroz detektor proletio mion, iako je u stvari bio pion. Nemoguće je potpuno se riješiti takvih pogrešaka. Ostaje samo pažljivo proučiti detektor prije rada (na primjer, korištenjem kozmičkih miona), saznati postotak slučajeva netočne identifikacije čestica i uvijek ga uzeti u obzir pri obradi stvarnih podataka.

Zahtjevi za detektore

Moderni detektori čestica ponekad se nazivaju "velikom braćom" digitalnih fotoaparata. Međutim, vrijedno je zapamtiti da su radni uvjeti kamere i detektora bitno različiti.

Prije svega, svi elementi detektora moraju biti vrlo brzo i vrlo precizno međusobno sinkronizirane. Na Velikom hadronskom sudaraču, na vrhunskoj izvedbi, grozdovi će se sudariti 40 milijuna puta u sekundi. U svakom sudaru dogodit će se rađanje čestica koje će ostaviti svoju “sliku” u detektoru, a detektor se ne smije “gušiti” u tom toku “slika”. Kao rezultat toga, u 25 nanosekundi potrebno je prikupiti svu ionizaciju koju ostavljaju leteće čestice, pretvoriti je u električne signale i očistiti detektor, pripremajući ga za sljedeći dio čestica. U 25 nanosekundi čestice lete samo 7,5 metara, što je usporedivo s veličinom velikih detektora. Dok se ionizacija iz prolaznih čestica skuplja u vanjskim slojevima detektora, čestice iz sljedećeg sudara već lete kroz njegove unutarnje slojeve!

Drugi ključni zahtjev za detektor je otpornost na zračenje. Elementarne čestice koje odlijeću s mjesta sudara grozdova su pravo zračenje, i to vrlo tvrde. Na primjer, očekivana apsorbirana doza ionizirajućeg zračenja koju će vertex detektor primiti tijekom rada je 300 kilograma plus ukupni tok neutrona od 5·10 14 neutrona po cm 2 . Pod ovim uvjetima, detektor bi trebao raditi godinama i još uvijek biti u funkciji. To se ne odnosi samo na materijale samog detektora, već i na elektroniku kojom je punjen. Bilo je potrebno nekoliko godina za stvaranje i testiranje elektronike otporne na greške koja će raditi u tako teškim uvjetima zračenja.

Još jedan zahtjev za elektroniku - mala izlazna snaga. Unutar višemetarskih detektora nema slobodnog prostora - svaki kubični centimetar volumena ispunjen je korisnom opremom. Sustav hlađenja neizbježno oduzima radni volumen detektora - uostalom, ako čestica proleti ravno kroz rashladnu cijev, jednostavno neće biti registrirana. Stoga bi oslobađanje energije iz elektronike (stotine tisuća zasebnih ploča i žica koje uzimaju informacije iz svih komponenti detektora) trebalo biti minimalno.

Dodatna literatura:

K. Groupen. "Detektori elementarnih čestica" // Sibirski kronograf, Novosibirsk, 1999.
Detektori čestica (PDF, 1,8 Mb).
Detektori čestica // poglavlje iz studijski vodič B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. “Čestice i jezgre. Eksperiment". M.: Izdavačka kuća Moskovskog državnog sveučilišta, 2005.
N. M. Nikityuk. Precizni mikroapex detektori (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, vol. 28, br. 1, str. 191–242 (1997).

U pogl. XXIII upoznali smo se s uređajima koji se koriste za detekciju mikročestica - komora za oblake, scintilacijski brojač, brojač plinskog pražnjenja. Iako se ovi detektori koriste u studijama elementarnih čestica, nisu uvijek prikladni. Činjenica je da se najzanimljiviji procesi interakcije, popraćeni međusobnim transformacijama elementarnih čestica, događaju vrlo rijetko. Čestica mora na svom putu susresti puno nukleona ili elektrona da bi se dogodio zanimljiv sudar. U praksi mora proći put koji se mjeri u desecima centimetara – metrima u gustoj tvari (na takvom putu nabijena čestica s energijom milijardi elektron volti gubi samo dio energije zbog ionizacije).

Međutim, u komori za oblake ili brojaču plinskog pražnjenja, osjetljivi sloj (u smislu guste tvari) je iznimno tanak. S tim u vezi primijenjene su i neke druge metode detekcije čestica.

Fotografska metoda pokazala se vrlo plodnom. U posebnim sitnozrnatim fotografskim emulzijama svaka nabijena čestica koja prelazi preko emulzije ostavlja trag koji se nakon razvijanja ploče detektira pod mikroskopom u obliku lanca crnih zrnaca. Po prirodi traga koji ostavlja čestica u fotografskoj emulziji, može se odrediti priroda te čestice – njezin naboj, masa i energija. Fotografska metoda je prikladna ne samo zato što se mogu koristiti debeli materijali, već i zato što u fotografskoj ploči, za razliku od komore oblaka, tragovi nabijenih čestica ne nestaju ubrzo nakon prolaska čestice. Prilikom proučavanja rijetkih događaja, zapisi mogu biti izloženi Dugo vrijeme; ovo je posebno korisno u studijama kozmičkih zraka. Primjeri rijetkih događaja snimljenih u fotografskoj emulziji prikazani su iznad na Sl. 414, 415; Posebno je zanimljiva sl. 418.

Još jedna izvanredna metoda temelji se na korištenju svojstava pregrijanih tekućina (vidi svezak I, § 299). Kada se vrlo čista tekućina zagrije na temperaturu čak i malo iznad vrelišta, tekućina ne ključa, jer površinska napetost sprječava stvaranje mjehurića pare. Američki fizičar Donald Glaeser (r. 1926.) zabilježio je 1952. da pregrijana tekućina trenutačno ključa kada je dovoljno intenzivno zračena; dodatna energija koja se oslobađa u tragovima brzih elektrona stvorenih u tekućini zračenjem stvara uvjete za nastanak mjehurića.

Na temelju ovog fenomena, Glaeser je razvio takozvanu komoru s tekućim mjehurićima. Tekućina na visoki krvni tlak zagrijana na temperaturu blizu, ali nižu od vrelišta. Tada se tlak, a s njim i točka vrelišta, smanjuju, a tekućina se pregrijava. Trag mjehurića pare nastaje duž putanje nabijene čestice koja u ovom trenutku prelazi tekućinu. Uz pravo osvjetljenje, može se snimiti kamerom. U pravilu se mjehuraste komore nalaze između polova jakog elektromagneta, magnetsko polje savija putanje čestica. Mjerenjem duljine traga čestice, polumjera njezine zakrivljenosti i gustoće mjehurića moguće je utvrditi karakteristike čestice. Sada su mjehuraste komore dosegle visoku razinu savršenstva; rade, na primjer, komore ispunjene tekućim vodikom, s osjetljivim volumenom od nekoliko kubičnih metara. Primjeri fotografija tragova čestica u mjehurastoj komori prikazani su na sl. 416, 417, 419, 420.

Riža. 418. Transformacije čestica zabilježene u hrpi fotografskih emulzija ozračenih kozmičkim zrakama. U jednom trenutku, nevidljiva brza neutralna čestica izazvala je cijepanje jedne od jezgri emulzije i formirala mezone ("zvijezda" od 21 traga). Jedan od mezona, -mezon, nakon što je prošao put okolo (na fotografiji su prikazani samo početak i kraj traga; uz povećanje korišteno na fotografiji, duljina cijelog traga bi bila ), zaustavio se na točku i raspao prema shemi . -mezon, čiji je trag usmjeren prema dolje, zarobljen je od strane jezgre u točki, uzrokujući njezino cijepanje. Jedan od fragmenata cijepanja bila je jezgra, koja se raspadom pretvorila u jezgru, momentalno se raspadnuvši na dvije čestice koje lete u suprotnim smjerovima - na slici tvore "čekić". -mezon se, zaustavivši se, pretvorio u -muon (i neutrino) (točka). Kraj -muonskog traga dat je desno gornji kut crtanje; vidljiv je trag pozitrona koji nastaje tijekom raspada.

Riža. 419. Nastanak i propadanje -hiperona. U komori s vodikovim mjehurićima u magnetskom polju i ozračenoj antiprotonima, reakcija . Dogodilo se na krajnjoj točki staze (vidi dijagram na vrhu slike). Neutralni lambda i anti-lambda hiperoni, nakon što su preletjeli kratku udaljenost bez stvaranja traga, propadaju prema shemama. Antiproton se anihilira s protonom, tvoreći dva i dva -mezon-kvant na protonu; proton ne vidljivi trag, budući da zbog velike mase ne prima dovoljno energije pri interakciji s -kvantom