Részecskedetektorok. Az elemi részecskék kimutatásának fizikai elvei

Az „igazi” részecskedetektorok, például a Large Hadron Colliderben lévők, dollármilliókba kerülnek, és több száz tonnát nyomnak, de igyekszünk jóval szerényebb költségvetéssel beérni.

Szükségünk lesz:

szárazjég (körülbelül 80 rubel kilogrammonként, tanácsos még 300 rubelért habműanyag termikus tartályt vásárolni - különben minden, amit vásárolt, túl gyorsan elpárolog). Nem kell sok szárazjég, elég egy kilogramm is;
izopropil-alkohol (ára 370 rubel / 0,5 liter, rádióberendezések üzleteiben értékesítik);
egy darab filc (varróműhely, körülbelül 150 rubel);
ragasztó a filcnek a tartály aljára való ragasztásához ("Moment", 150 rubel);
átlátszó tartály, például műanyag akvárium fedővel (1,5 ezer rubelért vettünk egy kemény műanyag élelmiszertartályt);
szárazjég állvány, lehet fényképes küvetta (a szerkesztőség konyhájában található);
zseblámpa.

Tehát kezdjük. Először egy darab filcet kell ragasztani a tartály aljára, és várjon néhány órát, amíg a ragasztó megszárad. Ezt követően a filcet izopropil-alkoholba kell áztatni (ügyeljen arra, hogy az alkohol ne kerüljön a szemébe!). Kívánatos, hogy a filc teljesen telített legyen alkohollal, amelynek maradékát ezután le kell engedni. Ezután öntsön szárazjeget a küvetta aljára, zárja le az edényt fedéllel, és tegye szárazjégbe fedéllel lefelé. Most meg kell várnia, amíg a kamrában lévő levegő alkoholgőzzel telítődik.

A felhőkamra (más néven "ködkamra") működési elve az, hogy már nagyon gyenge ütés hatására az alkohol telített gőze lecsapódik. Ennek eredményeként még a kozmikus részecskék becsapódása is a gőz lecsapódását idézi elő, és a kamrában mikroszkopikus méretű cseppekből álló láncok - pályák - képződnek.

A kísérletet megtekintheti videónkban:

Néhány megjegyzés a tapasztalatból: ne vásároljon túl sok szárazjeget - kevesebb mint egy nap alatt teljesen elpárolog még a termikus tartályukban is, és nem valószínű, hogy ipari hűtőszekrényt talál. Szükséges, hogy az átlátszó tartály fedele fekete legyen, például alulról fekete üveggel zárhatja le. A zeneszámok jobban látszanak fekete háttéren. Pontosan meg kell nézni a tartály alját, ahol jellegzetes, szitáló esőhöz hasonló köd képződik. Ebben a ködben jelennek meg a részecskenyomok.

Milyen számok láthatók:

Ezek nem kozmikus részecskék. A rövid és vastag nyomok a radioaktív radon gáz atomjai által kibocsátott alfa-részecskék nyomai, amelyek folyamatosan szivárognak a Föld beléből (és felhalmozódnak a nem szellőző helyiségekben).

Hosszú, keskeny nyomokat hagynak a müonok, az elektronok nehéz (és rövid életű) rokonai. Sokan születnek felső rétegek atmoszférában, amikor a nagy energiájú részecskék atomokkal ütköznek, és egész részecskezáporokat idéznek elő, amelyek többnyire müonokból állnak.

Az ívelt pályák az elektronok vagy antirészecskék, pozitronok jelei. Kozmikus sugarak is generálják őket, levegőmolekulákkal ütköznek, és cikcakkban mozoghatnak.

Ha láttál kettéágazó nyomokat, akkor szerencséd van: szemtanúja volt egy részecske kettészakadásának.

Tetszett? Iratkozzon fel az N+1-re a következő címen:

Április 29-én, késő este (egyelőre átütemezve) a NASA pályára állítja a Cern detektort elemi részecskék AMS-02. Ezt a detektort 10 évig építették, régebbi "testvérei" már gőzerővel dolgoznak a Nagy Hadronütköztetőnél, vagyis a föld alatt, és ez az űrbe repül! :)

Íme a cern sajtóközleménye, itt az élő közvetítés a 21:30-kor kezdődő startról, cern twitter jelentéseket is küld. Az indítás és az azt követő munka nyomon követhető a kísérlet honlapján. Addig is röviden szólok a készülékről és tudományos feladatokat.

Az AMS-02 egy igazi elemi részecskedetektor (majdnem) minden tulajdonságával. Mérete 4 méter, súlya 8,5 tonna. Természetesen nem hasonlítható össze egy olyan kolosszussal, mint az ATLAS, de az űrbe való kilövéshez (és az ISS-re történő telepítéshez) ez nem elég.

Ha a földalatti detektorok protonok és más részecskék mesterséges ütközése során született részecskéket regisztrálják, akkor az AMS-02 kozmikus sugarakat - nagyon nagy energiájú részecskéket, amelyek a mélyűrből érkeznek hozzánk, "természetes gyorsítókon" szétszórva. A kozmikus sugarakat természetesen régóta, csaknem egy évszázada tanulmányozták, de még mindig sok rejtély kapcsolódik hozzájuk.

Az új detektor legfontosabb feladata a kozmikus sugarak összetételének ultranagy pontosságú mérése. Mekkora az antianyag aránya a kozmikus sugarakban? Hogyan változik az energiával? Léteznek olyan új nehéz, stabil részecskék (sötét anyag részecskék), amelyek kis mennyiségben nem születhetnek ütköztetőknél, de amelyeket az Univerzum képes volt előidézni? Vagy talán a közönséges részecskék energiaspektrumának néhány finom vonása azt jelzi, hogy eddig ismeretlen szupernehéz részecskék bomlása során keletkeztek?

Az AMS-02 ezeket a kérdéseket vizsgálja úgy, hogy regisztrálja a kozmikus sugárzás részecskéinek áthaladását a detektor anyagán, és megméri lendületüket, sebességüket, energiafelszabadulásukat és töltésüket. A detektor optimális érzékenységének "ablakja" a részecskeenergiát tekintve körülbelül 1 GeV és több TeV között van. Ez az ablak számos modell előrejelzését fedi le, és átfedésben van az LHC detektorainak érzékenységi ablakaival is. De a Nagy Hadronütköztetővel ellentétben itt maga az univerzum működik gyorsítóként, és ennek messzemenő következményei lehetnek.

Aldetektorok és alrendszerek AMS-02 ().

A klasszikus földi (pontosabban földalatti) detektorokhoz hasonlóan több különálló érzékelőrendszert is tartalmaz egyszerre, különböző jellemzők részecskék. Csak velük ellentétben az AMS-02 nem „benéz”, hanem „kinéz”; inkább úgy néz ki, mint egy fejlett modern detektor egyik szegmense.

Az eszközt röviden ismertetjük a kísérlet helyszínén. Vannak még a pályát visszaállító nyomdetektorok, a részecskék sebességét mérő Cserenkov-detektorok, a részecskék energiáját mérő elektromágneses kaloriméterek és egyéb rendszerek is. Két különböző mágnes választja el a különböző töltéseket egyszerre (hazudtam). Külön díjakat állandómágnes 0,125 Tesla neodímium ötvözet. Ráadásul az AMS-02-ben van valami, ami a földalatti detektorokban nincs - GPS-érzékelők és csillagkövető rendszer :)

Mindezt 10 évig építették, az ára körülbelül 1,5 gigadollár. Az AMS együttműködésben 16 ország 56 intézménye vesz részt.

A lényeg, hogy most ez a dolog sikeresen elrepült. Holnap este követjük az indulást!

Az űrből származó elemi részecskék tízezrei repülnek át testünkön másodpercenként - müonok, elektronok, neutrínók és így tovább. Nem érezzük és nem látjuk őket, de ez nem jelenti azt, hogy nem léteznek. Ez nem jelenti azt, hogy nem lehet javítani. Az olvasóknak ajánljuk N+1 saját kezűleg összeszerelni egy olyan eszközt, amely lehetővé teszi, hogy "láthassa" ezt a folyamatos kozmikus esőt.

Szükségünk lesz:

szárazjég (körülbelül 80 rubel kilogrammonként, tanácsos még 300 rubelért habműanyag termikus tartályt vásárolni - különben minden, amit vásárolt, túl gyorsan elpárolog). Nem kell sok szárazjég, elég egy kilogramm is;
izopropil-alkohol (ára 370 rubel / 0,5 liter, rádióberendezések üzleteiben értékesítik);
egy darab filc (varróműhely, körülbelül 150 rubel);
ragasztó a filcnek a tartály aljára való ragasztásához ("Moment", 150 rubel);
átlátszó tartály, például műanyag akvárium fedővel (1,5 ezer rubelért vettünk egy kemény műanyag élelmiszertartályt);
szárazjég állvány, lehet fényképes küvetta (a szerkesztőség konyhájában található);
zseblámpa.

A kísérletet megtekintheti videónkban:

Milyen számok láthatók:

Symmetry Magazin

Hosszú, keskeny nyomokat hagynak a müonok, az elektronok nehéz (és rövid életű) rokonai. Bőségesen keletkeznek a felső atmoszférában, amikor a nagy energiájú részecskék atomokkal ütköznek, és teljes részecskezáporokat, többnyire müonokat hoznak létre.

Mint bármelyikben fizikai kísérlet, az elemi részecskék tanulmányozásakor először arra van szükség fel kísérlet, majd Regisztráció eredményeit. A gyorsító részt vesz a kísérlet felállításában (részecskék ütközése), az ütközések eredményeit pedig a elemi részecske detektorok.

Az ütközés képének rekonstruálásához nemcsak azt kell kideríteni, hogy mely részecskék születtek, hanem nagy pontossággal meg kell mérni azok jellemzőit, elsősorban a pályát, lendületet és energiát. Mindezt különböző típusú detektorok segítségével mérik, amelyek koncentrikus rétegekben veszik körül a részecskék ütközésének helyét.

Az elemi részecskedetektorok két csoportra oszthatók: pályadetektorok, amelyek a részecskék pályáját mérik, és kaloriméterek amelyek mérik az energiáikat. A pályadetektorok megpróbálják követni a részecskék mozgását anélkül, hogy bármilyen torzítást okoznának. A kalorimétereknek viszont teljesen el kell nyelniük egy részecskét ahhoz, hogy mérni tudják az energiáját. Ennek eredményeként egy modern detektor szabványos elrendezése jön létre: belül több réteg nyomérzékelő, kívül pedig több réteg kaloriméter, valamint speciális müondetektorok. Általános formaábrán egy tipikus modern detektor látható. egy.

Az alábbiakban röviden ismertetjük a modern detektorok fő alkatrészeinek felépítését és működési elvét. A hangsúly a legtöbben van Általános elvekérzékelés. A Large Hadron Colliderben működő speciális detektorokról lásd: Érzékelők az LHC-nél.

Nyom detektorok

A nyomdetektorok rekonstruálják a részecske pályáját. Általában a mágneses tér tartományában helyezkednek el, majd a részecske pályájának görbületéből határozható meg a részecske lendülete.

A nyomdetektorok munkája azon alapul, hogy az elhaladó töltött részecske ionizációs nyomot hoz létre - vagyis kiüti az elektronokat az útjába kerülő atomokból. Ebben az esetben az ionizációs intenzitás mind a részecske típusától, mind a detektor anyagától függ. A szabad elektronokat az elektronika gyűjti össze, az ebből származó jel a részecskék koordinátáit jelenti.

Vertex detektor

csúcstalálkozó(mikrovertex, pixel) detektor- Ez egy többrétegű félvezető detektor, amely különálló vékony lemezekből áll, amelyekre az elektronika közvetlenül rá van rakva. Ez a detektorok legbelső rétege: általában közvetlenül a vákuumcsövön kívül kezdődik (néha az első réteg közvetlenül a vákuumcső külső falára van felszerelve), és sugárirányban az első néhány centimétert foglalja el. A szilíciumot általában nagy sugárzásállósága miatt választják félvezető anyagnak (a detektor belső rétegei hatalmas dózisú kemény sugárzásnak vannak kitéve).

Lényegében a vertex detektor ugyanúgy működik, mint a digitális fényképezőgép érzékelője. Amikor egy töltött részecske átrepül ezen a lemezen, nyomot hagy benne - egy több tíz mikron méretű ionizációs felhőt. Ezt az ionizációt a közvetlenül a pixel alatt lévő elektronikus elem olvassa le. Egy részecske metszéspontjainak koordinátáinak ismeretében több egymást követő pixeldetektor lemezzel lehetőség nyílik a részecskék háromdimenziós pályáinak rekonstrukciójára és a cső belsejében történő visszakövetésére. Az ilyen rekonstruált pályák metszéspontján a tér valamely pontján, csúcs- az a pont, ahol ezek a részecskék megszülettek.

Néha kiderül, hogy több ilyen csúcs van, és ezek közül az egyik általában közvetlenül az ütköző gerendák ütközési tengelyén fekszik (elsődleges csúcs), a második pedig egy távolságra van. Ez általában azt jelenti, hogy a protonok az elsődleges csúcsban ütköztek, és azonnal több részecske keletkezett, de néhányuknak sikerült bizonyos távolságot elrepülniük, mielőtt gyermekrészecskévé bomlottak volna.

A modern detektorokban a csúcs-rekonstrukció pontossága eléri a 10 mikront. Ez lehetővé teszi azon esetek megbízható regisztrálását, amikor a másodlagos csúcsok 100 mikron távolságra vannak az ütközési tengelytől. Pontosan ilyen távolságra repülnek el a különböző metastabil hadronok, amelyek összetételében c- vagy b-kvark található (az úgynevezett "elvarázsolt" és "bájos" hadronok). Ezért a csúcsdetektor az nélkülözhetetlen eszköz LHCb detektorral, amelynek fő feladata ezeknek a hadronoknak a tanulmányozása lesz.

A félvezetők hasonló elven működnek. mikrocsíkos detektorok, amelyben a kis pixelek helyett a legvékonyabb, de meglehetősen hosszú érzékeny anyagcsíkokat használnak. Ezekben az ionizáció nem rendeződik azonnal, hanem a csík mentén eltolódik, és a végén olvasható. A csíkok úgy vannak kialakítva, hogy a töltésfelhő elmozdulásának sebessége mellette állandó legyen, és ne homályosuljon el. Ezért annak a pillanatnak a ismeretében, amikor a töltés megérkezik az olvasóelemhez, ki lehet számítani annak a pontnak a koordinátáit, ahol a töltött részecske átszúrta a csíkot. A mikrocsíkos detektorok térbeli felbontása rosszabb, mint a pixeldetektoroké, de sokkal többet képesek lefedni ról ről nagy terület, mivel nincs szükségük ilyenre egy nagy szám olvasási elemek.

Drift kamerák

Drift kamerák- Ezek gázzal töltött kamrák, amelyek a félvezető pályadetektorokon kívül helyezkednek el, ahol a sugárzás szintje viszonylag alacsony, és nincs szükség olyan nagy pontosságú helyzetmeghatározásra, mint a félvezető detektoroknál.

A klasszikus drift kamra egy gázzal töltött cső, amiben sok nagyon vékony vezeték van kifeszítve. Úgy működik, mint egy vertex detektor, de nem lapos lemezen, hanem térfogatban. Minden vezeték feszültség alatt van, és elrendezésüket úgy választják meg, hogy egységes legyen elektromos mező. Amikor egy töltött részecske átrepül a gázkamrán, térbeli ionizációs nyomot hagy maga után. Befolyása alatt elektromos mező Az ionizáció (elsősorban az elektronok) állandó sebességgel mozog (a fizikusok szerint "drift") a térvonalak mentén az anódhuzalok felé. A kamra szélét elérve az ionizációt azonnal elnyeli az elektronika, amely jelimpulzust továbbít a kimenetre. Mivel sok az olvasóelem, a belőlük érkező jelek segítségével jó pontossággal vissza lehet állítani egy áthaladó részecske koordinátáit, és ezáltal a pályát.

Általában a keletkező ionizáció mértéke gázkamra az áthaladó részecske kicsi. A töltésgyűjtés és -regisztráció megbízhatóságának növelése és a mérési hiba csökkentése érdekében a jelet még az elektronika általi regisztrálás előtt fel kell erősíteni. Ez az olvasóberendezés közelében kifeszített anód- és katódhuzalokból álló speciális hálózat segítségével történik. Az anódvezeték közelében elhaladva az elektronfelhő lavinát generál rajta, aminek következtében az elektronikus jel megsokszorozódik.

Minél erősebb a mágneses tér és minél nagyobb a detektor mérete, annál erősebben tér el a részecske pályája az egyenestől, ami azt jelenti, hogy annál megbízhatóbban mérhető a görbületi sugara és ebből rekonstruálható a részecske impulzusa. Ezért a nagyon nagy energiájú, több száz GeV és TeV részecskékkel való reakciók tanulmányozásához kívánatos nagyobb detektorokat építeni és mágneses mezők erősebb. Pusztán mérnöki okokból általában csak az egyik értéket lehet növelni a másik rovására. Az LHC két legnagyobb detektora - az ATLAS és a CMS - csak abban különbözik, hogy ezek közül az értékek közül melyik van optimalizálva. Az ATLAS detektornál nagyobb méretek, de kisebb mező, míg a CMS detektor erősebb mezővel rendelkezik, de általában kompaktabb.

Idővetítő kamera

A sodródó kamra speciális típusa az ún idő vetítő kamera(VPK). Valójában a VPK egy nagy, több méter méretű, hengeres sodródó cella. Teljes térfogatában a henger tengelye mentén egyenletes elektromos tér jön létre. A teljes örvénylő ionizációs nyomvonal, amelyet a részecskék elhagynak, amikor átrepülnek ezen a kamrán, egyenletesen sodródik a henger végeihez, megtartva térbeli alakját. A pályák mintegy a kamra végeire vannak „vetítve”, ahol az olvasóelemek nagy sora regisztrálja a töltés érkezését. A sugárirányú és szögkoordinátákat az érzékelő száma, a hengertengely menti koordinátát pedig a jel érkezési ideje határozza meg. Ennek köszönhetően lehetőség nyílik a részecskék mozgásának háromdimenziós képének visszaállítására.

Az LHC-n futó kísérletek közül az ALICE detektor az idővetítő kamerát használja.

Roman Pots detektorok

Létezik egy speciális típusú félvezető pixeldetektor, amely közvetlenül működik a vákuumcső belsejében, a gerenda közvetlen közelében. Először az 1970-es években javasolta őket egy római kutatócsoport, és azóta is ismertté váltak római edények(„Római edények”).

A Roman Pots detektorokat úgy tervezték, hogy észleljék azokat a részecskéket, amelyek nagyon kis szögben eltérnek az ütközés során. A vákuumcsövön kívül elhelyezett hagyományos detektorok egyszerűen azért alkalmatlanok itt, mert egy nagyon kis szögben kibocsátott részecske sok kilométert képes repülni a vákuumcső belsejében, a fősugárral együtt elfordulva nem szökik ki. Az ilyen részecskék regisztrálásához kis detektorokat kell elhelyezni a vákuumcső belsejében a nyaláb tengelye mentén, anélkül, hogy magát a nyalábot érintené.

Ehhez a gyorsítógyűrű egy bizonyos szakaszán, általában több száz méter távolságra az ütköző gerendák ütközési pontjától, egy keresztirányú "hüvelyekkel" ellátott vákuumcső speciális szakaszát helyezik be. Kisméretű, több centiméteres pixeldetektorokat helyeznek el bennük mobil platformokon. Amikor a gerendát éppen befecskendezik, még mindig instabil és nagy keresztirányú rezgések. Az érzékelők jelenleg a hüvelyek belsejében vannak elrejtve, hogy elkerüljék a közvetlen sugárütés okozta sérüléseket. A sugár stabilizálódása után a platformok kimozdulnak a karjukból, és a sugár közvetlen közelébe, 1-2 milliméter távolságra mozgatják a Roman Pots detektorok érzékeny mátrixait. A gyorsító következő ciklusának végén, mielőtt a régi sugarat ledobják és egy újat fecskendeznek be, az érzékelők visszahúzódnak a karjukba, és megvárják a következő műveletet.

A Roman Pots-ban használt pixeldetektorok abban különböznek a hagyományos vertex detektoroktól, hogy maximalizálják az ostya felületének az érzékelő elemek által elfoglalt részét. Különösen a lemez szélén, amely a legközelebb van a gerendához, gyakorlatilag nincs érzéketlen "halott" zóna ( "szél nélküli"-technológia).

Az egyik kísérlet a Large Hadron Colliderben, a TOTEM-ben, csak néhány ilyen detektort fog használni. Még több hasonló projekt van fejlesztés alatt. Az LHCb kísérlet csúcsdetektora is hordozza ennek a technológiának egyes elemeit.

Ezekről a detektorokról bővebben a CERN Courier Roman pots for the LHC című cikkében vagy a TOTEM kísérlet műszaki dokumentációjában olvashat.

Kaloriméterek

A kaloriméterek az elemi részecskék energiáját mérik. Ehhez helyezze a részecskék útjába vékony réteg sűrű anyag (általában nehézfém - ólom, vas, sárgaréz). A benne lévő részecske ütközik elektronokkal vagy atommagokkal, és ennek eredményeként másodlagos részecskék áramlását hoz létre - zuhany. A kezdeti részecske energiája eloszlik az összes zuhanyrészecske között, így ebben a zuhanyban minden egyes részecske energiája kicsi lesz. Emiatt a zuhany megakad az anyag vastagságában, részecskéi felszívódnak és megsemmisülnek, és az energia egy része, egészen határozott töredéke fény formájában szabadul fel. Ezt a fényvillanást a kaloriméter végein fotosokszorozók gyűjtik össze, amelyek elektromos impulzussá alakítják át. Ezen túlmenően a zuhany energiája mérhető az ionizáció érzékeny lemezekkel történő összegyűjtésével.

Az anyagon áthaladó elektronok és fotonok főleg a elektronhéjak atomokat és elektromágneses zuhanyt hoznak létre - nagyszámú elektronból, pozitronból és fotonból álló áramlást. Az ilyen záporok kis mélységben gyorsan fejlődnek, és általában több tíz centiméter vastag anyagrétegben szívódnak fel. A nagyenergiájú hadronok (protonok, neutronok, pi-mezonok és K-mezonok) főként atommagokkal való ütközés következtében veszítenek energiából. Ebben az esetben egy hadronzuhany keletkezik, amely sokkal mélyebbre hatol az anyag vastagságába, mint egy elektromágneses, és emellett szélesebb. Ezért egy nagyon nagy energiájú részecske hadronikus záporának teljes elnyeléséhez egy vagy két méternyi anyagra van szükség.

A modern detektorokban maximálisan kihasználják az elektromágneses és hadronzuhanyok jellemzői közötti különbséget. A kaloriméterek gyakran kétrétegűek: belül találhatók elektromágneses kaloriméterek, amelyben túlnyomórészt elektromágneses záporok nyelődnek el, és kívül - hadron kaloriméterek, amelyeket csak hadronzáporok "érnek el". Így a kaloriméterek nemcsak energiát mérnek, hanem meghatározzák az "energia típusát" is – legyen az elektromágneses vagy hadronikus eredetű. Ez nagyon fontos számára helyes megértés protonütközési detektor közepén történt.

A zuhany optikai úton történő regisztrálásához a kaloriméter anyagának szcintillációs tulajdonságokkal kell rendelkeznie. NÁL NÉL szcintillátor Az egy hullámhosszú fotonok nagyon hatékonyan nyelődnek el, ami az anyag molekuláinak gerjesztéséhez vezet, és ezt a gerjesztést kisebb energiájú fotonok kibocsátásával távolítják el. A kibocsátott fotonok számára a szcintillátor már átlátszó, így elérhetik a kalorimetrikus cella szélét. A kaloriméterek szabványos, régóta tanulmányozott szcintillátorokat használnak, amelyeknél jól ismert, hogy a kezdeti részecske energiájának mekkora része alakul át optikai villanássá.

A zuhanyok hatékony elnyeléséhez a lehető legsűrűbb anyagot kell használni. Kétféleképpen lehet összeegyeztetni ezt a követelményt a szcintillátorokra vonatkozó követelményekkel. Először is választhat nagyon nehéz szcintillátorokat, és töltheti meg velük a kalorimétert. Másodszor, nehéz anyagból és könnyű szcintillátorból váltakozó lemezekből "puff" készíthető. A kaloriméter-kialakításnak léteznek egzotikusabb változatai is, például a "spagetti" kaloriméterek, amelyekben sok vékony kvarcszál van beágyazva egy masszív abszorber mátrixba. Az ilyen kaloriméter mentén kialakuló zuhany a kvarcban Cserenkov fényt hoz létre, amely a szálakon keresztül a kaloriméter végéig kerül kibocsátásra.

A kaloriméterben lévő részecske energiájának helyreállításának pontossága az energia növekedésével javul. A több száz GeV energiájú részecskék esetében a hiba körülbelül egy százalék az elektromágneses kalorimétereknél és néhány százalék a hadronikusoknál.

Muon kamrák

A müonok jellemző tulajdonsága, hogy az anyagon való mozgás során nagyon lassan veszítenek energiát. Ennek az az oka, hogy egyrészt nagyon nehezek, ezért ütközéskor nem tudnak hatékonyan energiát átadni az elektronoknak, másrészt nem vesznek részt erős kölcsönhatásban, ezért az atommagok gyengén szórják őket. Ennek eredményeként a müonok sok méternyi anyagot képesek elrepülni, mielőtt megállnának, és behatolhatnak oda, ahol más részecskék nem juthatnak el.

Ez egyrészt lehetetlenné teszi a müonok energiájának kaloriméterekkel történő mérését (elvégre egy müon nem tud teljesen elnyelődni), másrészt viszont lehetővé teszi a müonok jól megkülönböztetését más részecskéktől. A modern detektorokban müonkamrák a detektor legkülső rétegeiben található, gyakran még a detektorban mágneses teret létrehozó masszív fémjármán kívül is. Az ilyen csövek nem a müonok energiáját, hanem lendületét mérik, ugyanakkor teljes bizonyossággal feltételezhető, hogy ezek a részecskék pontosan müonok, és nem bármi más. A müonkamráknak számos fajtája létezik, amelyeket különböző célokra használnak.

Részecske azonosítás

Külön kérdés az részecske azonosítás, vagyis annak kiderítése, hogy milyen részecske repült át a detektoron. Ez nem lenne nehéz, ha tudnánk a részecske tömegét, de általában pontosan ezt nem tudjuk. Egyrészt a tömeg elvileg kiszámítható a relativisztikus kinematika képleteivel, a részecske energiájának és impulzusának ismeretében, de sajnos ezek mérési hibái általában olyan nagyok, hogy nem teszik lehetővé pl. , pi-mezon egy müonból, a tömegközelség miatt.

Ebben a helyzetben négy fő módszer létezik a részecskék azonosítására:

Által válasz ban ben különböző típusok kaloriméterek és müoncsövek.
Által energiafelszabadítás nyomdetektorokban. Különféle részecskék centiméterenként eltérő mértékű ionizációt produkálnak, és ez a nyomdetektorok jelerősségével mérhető.
Keresztül Cserenkov ellenkezik. Ha egy részecske törésmutatójú átlátszó anyagon repül át n nagyobb sebességgel, mint az adott anyagban lévő fénysebesség (azaz nagyobb, mint c/n), akkor Cserenkov-sugárzást bocsát ki szigorúan meghatározott irányokba. Ha aerogélt veszünk detektoranyagnak (a tipikus törésmutató n= 1,03), akkor a 0,99 sebességgel mozgó részecskékből származó Cserenkov-sugárzás cés 0,995 c, jelentősen eltér majd.
Keresztül repülési idő kamerák. Ezekben nagyon nagy időbeli felbontású detektorok segítségével megmérik egy részecske repülési idejét a kamra egy bizonyos szakaszában, és ebből számítják ki a sebességét.

Mindegyik módszernek megvannak a maga nehézségei és hibái, így általában nem garantált a részecskeazonosítás helyessége. Néha egy detektor „nyers” adatait feldolgozó program arra a következtetésre juthat, hogy egy müon repült át a detektoron, bár valójában pion volt. Lehetetlen teljesen megszabadulni az ilyen hibáktól. Csak gondosan tanulmányozni kell a detektort működés előtt (például kozmikus müonok használatával), megtudni a részecskék helytelen azonosításának százalékos eseteit, és mindig figyelembe kell venni a valós adatok feldolgozása során.

A detektorokkal szemben támasztott követelmények

A modern részecskedetektorokat néha a digitális fényképezőgépek "nagy testvéreinek" is nevezik. Nem szabad azonban elfelejteni, hogy a kamera és a detektor működési feltételei alapvetően különböznek egymástól.

Mindenekelőtt a detektor minden elemének kell lennie nagyon gyorsés nagyon pontosan szinkronizálva vannak egymással. A Large Hadron Collidernél a csúcsteljesítménynél a kötegek másodpercenként 40 milliószor fognak ütközni. Minden ütközésnél részecskék születnek, amelyek „képüket” a detektorban hagyják, és a detektornak nem szabad „megfulladnia” ebben a „képfolyamban”. Ennek eredményeként 25 nanoszekundum alatt össze kell gyűjteni a repülő részecskék által hagyott összes ionizációt, elektromos jelekké alakítani, és meg kell tisztítani a detektort, felkészítve a következő részecske-adagra. 25 nanoszekundum alatt a részecskék mindössze 7,5 métert repülnek, ami a nagy detektorok méretéhez mérhető. Miközben az áthaladó részecskékből származó ionizáció összegyűlik a detektor külső rétegeiben, a következő ütközésből származó részecskék már átrepülnek a belső rétegein!

A második legfontosabb követelmény a detektorral szemben sugárzásállóság. A csomók ütközésének helyéről elrepülő elemi részecskék valódi sugárzás, és nagyon kemények. Például az ionizáló sugárzás várható elnyelt dózisa, amelyet a csúcsdetektor működés közben kap, 300 kilogray plusz 5·10 14 neutron/cm 2 összneutronfluxus. Ilyen körülmények között az érzékelőnek évekig működnie kell, és továbbra is működőképesnek kell lennie. Ez nemcsak magának az érzékelőnek az anyagára vonatkozik, hanem az elektronikára is, amellyel meg van töltve. Több évbe telt olyan hibatűrő elektronika létrehozása és tesztelése, amely ilyen kemény sugárzási körülmények között is működni fog.

Egy másik követelmény az elektronikával szemben alacsony teljesítményű. A többméteres detektorok belsejében nincs szabad hely - minden köbcentiméter hasznos felszereléssel van feltöltve. A hűtőrendszer elkerülhetetlenül elveszi az érzékelő munkatérfogatát - elvégre, ha egy részecske átrepül a hűtőcsövön, egyszerűen nem regisztrálódik. Ezért az elektronikából (több százezer különálló kártya és vezeték, amelyek az érzékelő összes alkatrészétől vesznek információt) az energiafelszabadulásnak minimálisnak kell lennie.

További irodalom:

K. Groupen. "Elemi részecskedetektorok" // Szibériai kronográf, Novoszibirszk, 1999.
Részecskedetektorok (PDF, 1,8 Mb).
Részecskedetektorok // fejezetből tanulási útmutató B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. „Részecskék és atommagok. Kísérlet". M.: A Moszkvai Állami Egyetem kiadója, 2005.
N. M. Nikityuk. Precíziós microapex detektorok (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, 28. évf., no. 1, 191–242 (1997).

ch. XXIII. megismerkedtünk a mikrorészecskék kimutatására szolgáló eszközökkel - felhőkamra, szcintillációs számláló, gázkisülési számláló. Bár ezeket a detektorokat elemi részecskék tanulmányozására használják, nem mindig kényelmesek. Az a tény, hogy a legérdekesebb kölcsönhatási folyamatok, amelyeket az elemi részecskék kölcsönös átalakulása kísér, nagyon ritkán fordul elő. Egy részecskének sok nukleonnal vagy elektronnal kell találkoznia útközben ahhoz, hogy érdekes ütközés történjen. A gyakorlatban több tíz centiméterben - méterben mért úton kell átmennie sűrű anyagban (ilyen úton egy több milliárd elektronvolt energiájú töltött részecske energiájának csak egy részét veszíti el az ionizáció miatt).

Egy felhőkamrában vagy egy gázkisülési számlálóban azonban az érzékeny réteg (a sűrű anyag szempontjából) rendkívül vékony. Ezzel kapcsolatban néhány egyéb módszert is alkalmaztak a részecskék kimutatására.

A fényképezési módszer nagyon eredményesnek bizonyult. A speciális finomszemcsés fényképészeti emulziókban az emulzión áthaladó minden töltött részecske nyomot hagy, amelyet a lemez előhívása után mikroszkóp alatt fekete szemcsék láncaként detektálunk. A részecskék által a fényképészeti emulzióban hagyott nyomok természete alapján meghatározható ennek a részecskenak a természete - töltése, tömege és energiája. A fényképezési módszer nemcsak azért kényelmes, mert vastag anyagokat lehet használni, hanem azért is, mert a fényképező lemezben a felhőkamrával ellentétben a töltött részecskék nyomai nem tűnnek el egyhamar a részecske áthaladása után. Ritka események tanulmányozása során feljegyzések kerülhetnek nyilvánosságra hosszú idő; ez különösen hasznos a kozmikus sugárzás vizsgálatánál. A fényképes emulzióban rögzített ritka események példái a fenti ábrán láthatók. 414, 415; ábra különösen érdekes. 418.

Egy másik figyelemre méltó módszer a túlhevített folyadékok tulajdonságainak felhasználásán alapul (lásd I. kötet, 299. §). Ha egy nagyon tiszta folyadékot a forráspont feletti hőmérsékletre melegítünk, akkor a folyadék nem forr fel, mivel a felületi feszültség megakadályozza a gőzbuborékok képződését. Donald Glaeser amerikai fizikus (szül. 1926) 1952-ben megjegyezte, hogy a túlhevített folyadék azonnal felforr, ha kellően intenzíven besugározzák; a folyadékban -sugárzás hatására létrejövő gyors elektronok nyomaiban felszabaduló többletenergia biztosítja a feltételeket a buborékok kialakulásához.

Erre a jelenségre alapozva fejlesztette ki Glaeser az úgynevezett folyadékbuborékkamrát. Liquid at magas vérnyomás a forrásponthoz közeli, de annál alacsonyabb hőmérsékletre melegítjük. Ekkor a nyomás és vele együtt a forráspont is csökken, és a folyadék túlhevül. A folyadékot ebben a pillanatban áthaladó töltött részecske pályája mentén gőzbuborékok nyoma képződik. Megfelelő megvilágítás mellett fényképezőgéppel is rögzíthető. A buborékkamrák általában egy erős elektromágnes pólusai között helyezkednek el, a mágneses mező elhajlítja a részecskék pályáit. A részecskepálya hosszának, görbületi sugarának és a buborékok sűrűségének mérésével megállapítható a részecske jellemzői. A buborékkamrák most a tökéletesség magas szintjét értek el; például folyékony hidrogénnel töltött kamrák, amelyek érzékeny térfogata több köbméter. A buborékkamrában lévő részecskék nyomairól készült fényképek példái a 1. ábrán láthatók. 416, 417, 419, 420.

Rizs. 418. Kozmikus sugarakkal besugárzott fényképészeti emulziók halmazában rögzített részecskék átalakulásai. Egy ponton egy láthatatlan, gyors semleges részecske az egyik emulziómag felhasadását okozta, és mezonokat képezett (21 sávból álló "csillag"). Az egyik mezon, a -mezon egy utat bejárva (a képen csak a nyom eleje és vége látható; a fényképen használt nagyítással a teljes nyom hossza ) megállt egy pontot és a séma szerint lecsengett . -mezon, melynek nyoma lefelé irányul, a pontban megfogta a sejtmag, ami annak kettéválását okozta. A felhasadás egyik töredéke a mag volt, amely a bomlás következtében magmá alakult, és azonnal szétesett két, egymással ellentétes irányba repülő részecskére - a képen „kalapácsot” alkotnak. -mezon, miután megállt, -müonná (és neutrínóvá) változott (pont). A -muon nyom vége a jobb oldalon van megadva felső sarok rajz; látható a bomlás során keletkezett pozitron nyoma.

Rizs. 419. -hiperonok kialakulása és bomlása. Hidrogénbuborék-kamrában mágneses térben és antiprotonokkal besugározva a reakció . A nyomvonal végpontján történt (lásd az ábra tetején lévő diagramot). A semleges lambda és anti-lambda hiperonok, amelyek kis távolságot repültek nyom nélkül, a sémák szerint bomlanak le. Az antiproton a protonnal együtt megsemmisül, két és két -mezon-kvantumot képezve a protonon; proton nem látható nyoma, mivel a nagy tömeg miatt nem kap elegendő energiát a -kvantummal való kölcsönhatás során