Rivelatori di particelle. Principi fisici di rivelazione di particelle elementari

I rivelatori di particelle "reali", come quelli del Large Hadron Collider, costano milioni di dollari e pesano centinaia di tonnellate, ma cercheremo di accontentarci di un budget molto più modesto.

Avremo bisogno:

ghiaccio secco (circa 80 rubli per chilogrammo, è consigliabile acquistare un contenitore termico in plastica espansa per altri 300 rubli, altrimenti tutto ciò che hai acquistato evaporerà troppo rapidamente). Non serve molto ghiaccio secco, basta un chilogrammo;
alcol isopropilico (costa 370 rubli per 0,5 litro, venduto nei negozi di apparecchiature radio);
un pezzo di feltro (negozio di cucito, circa 150 rubli);
colla per attaccare il feltro sul fondo del contenitore ("Moment", 150 rubli);
un contenitore trasparente, come un acquario di plastica con coperchio (abbiamo acquistato un contenitore per alimenti in plastica rigida per 1,5 mila rubli);
sta per ghiaccio secco, può essere una cuvetta fotografica (trovata nella cucina editoriale);
torcia elettrica.

Quindi iniziamo. Per prima cosa devi incollare un pezzo di feltro sul fondo del contenitore e attendere alcune ore affinché la colla si asciughi. Successivamente, il feltro deve essere imbevuto di alcol isopropilico (assicurati che l'alcol non entri negli occhi!). È auspicabile che il feltro sia completamente saturo di alcol, il resto del quale deve quindi essere drenato. Quindi versare del ghiaccio secco sul fondo della cuvetta, chiudere il contenitore con un coperchio e metterlo nel ghiaccio secco con il coperchio rivolto verso il basso. Ora devi aspettare che l'aria all'interno della camera sia satura di vapore alcolico.

Il principio di funzionamento della camera a nebbia (nota anche come "camera di nebbia") è che anche un impatto molto debole fa condensare il vapore saturo di alcol. Di conseguenza, anche l'impatto delle particelle cosmiche fa condensare il vapore e nella camera si formano catene di goccioline microscopiche - tracce -.

Puoi guardare l'esperimento sul nostro video:

Alcuni appunti dall'esperienza: non dovresti comprare troppo ghiaccio secco: evaporerà completamente in meno di un giorno anche nel loro contenitore termico, ed è improbabile che tu trovi un frigorifero industriale. È necessario che il coperchio del contenitore trasparente sia nero, ad esempio puoi chiuderlo dal basso con un vetro nero. Le tracce saranno visibili meglio su uno sfondo nero. Devi guardare esattamente il fondo del contenitore, dove si forma una caratteristica nebbia, simile alla pioggia battente. È in questa nebbia che appaiono le tracce di particelle.

Quali tracce si possono vedere:

Queste non sono particelle cosmiche. Tracce corte e spesse sono tracce di particelle alfa emesse dagli atomi del gas radioattivo radon, che filtra continuamente dalle viscere della Terra (e si accumula in stanze non ventilate).

Tracce lunghe e strette sono lasciate dai muoni, i parenti pesanti (e di breve durata) degli elettroni. Nascono in moltitudini strati superiori atmosfera, quando le particelle ad alta energia entrano in collisione con gli atomi e danno origine a interi sciami di particelle, per lo più costituiti da muoni.

Le traiettorie curve sono un segno di elettroni o delle loro antiparticelle, positroni. Sono anche generati dai raggi cosmici, si scontrano con le molecole d'aria e possono muoversi a zigzag.

Se hai visto tracce che si biforcano, allora sei fortunato: hai assistito al decadimento di una particella in due.

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Il 29 aprile, in tarda serata (per ora riprogrammata), la NASA lancia in orbita il rivelatore Cern particelle elementari AMS-02. Questo rivelatore è stato costruito per 10 anni, i suoi "fratelli" maggiori stanno già lavorando con forza e potenza al Large Hadron Collider, cioè sottoterra, e questo volerà nello spazio! :)

Ecco il comunicato stampa del cern, ecco la diretta streaming del lancio a partire dalle 21:30 CET, cer twitter invierà anche rapporti. Il lancio e tutto il lavoro successivo possono essere monitorati sul sito web dell'esperimento. Nel frattempo, parlerò brevemente del dispositivo e compiti scientifici.

AMS-02 è un vero rivelatore di particelle elementari con (quasi) tutti i suoi attributi. La sua dimensione è di 4 metri, il peso è di 8,5 tonnellate. Naturalmente, non può essere paragonato a un colosso come ATLAS, ma per il lancio nello spazio (e l'installazione sulla ISS) questo non è sufficiente.

Se i rivelatori sotterranei registrano particelle nate durante una collisione artificiale di protoni e altre particelle, allora AMS-02 registrerà i raggi cosmici - particelle di energie molto elevate che arrivano a noi dallo spazio profondo, disperse su "acceleratori naturali". I raggi cosmici, ovviamente, sono stati studiati per molto tempo, quasi un secolo, ma molti misteri sono ancora associati ad essi.

Il compito più importante del nuovo rivelatore è misurare la composizione dei raggi cosmici con un'altissima precisione. Qual è la proporzione di antimateria nei raggi cosmici? Come cambia con l'energia? Ci sono nuove particelle stabili pesanti (particelle di materia oscura) in piccole quantità che non possono nascere ai collisori, ma che l'Universo è stato in grado di dare origine? O forse alcune caratteristiche sottili nello spettro energetico delle particelle ordinarie indicheranno che sono state prodotte dal decadimento di particelle superpesanti finora sconosciute?

AMS-02 studierà questi problemi registrando il passaggio delle particelle di raggi cosmici attraverso il materiale del rivelatore e misurandone quantità di moto, velocità, rilascio di energia e carica. La "finestra" di sensibilità ottimale del rivelatore in termini di energia delle particelle va da circa 1 GeV a diversi TeV. Questa finestra copre le previsioni di molti modelli e si sovrappone anche alle finestre di sensibilità dei rivelatori dell'LHC. Ma a differenza del Large Hadron Collider, qui l'universo stesso funge da acceleratore e questo può avere conseguenze di vasta portata.

Sottorilevatori e sottosistemi AMS-02 ().

Proprio come i classici rilevatori da terra (più precisamente, sotterranei), contiene diversi sistemi di rilevamento separati contemporaneamente, che misurano caratteristiche diverse particelle. Solo a differenza di loro, AMS-02 non scruta "dentro", ma "guarda fuori"; sembra più un segmento di un rilevatore moderno avanzato.

Il dispositivo è brevemente descritto sul sito dell'esperimento. Ci sono anche rilevatori di tracce che ripristinano la traiettoria, rilevatori Cherenkov che misurano la velocità delle particelle, calorimetri elettromagnetici che misurano l'energia delle particelle e altri sistemi. Due diversi magneti separeranno diverse cariche contemporaneamente (ho mentito). Separerà le spese magnete permanente Lega di neodimio 0,125 Tesla. E inoltre, AMS-02 ha qualcosa che i rilevatori sotterranei non hanno: sensori GPS e un sistema di localizzazione stellare :)

È stato costruito tutti i 10 anni, il costo è di circa 1,5 gigadollari. La collaborazione AMS comprende 56 istituzioni di 16 paesi.

La cosa principale è che ora questa cosa è volata via con successo. Domani sera seguiremo il lancio!

Decine di migliaia di particelle elementari dallo spazio volano attraverso il nostro corpo ogni secondo: muoni, elettroni, neutrini e così via. Non li sentiamo e non li vediamo, ma questo non significa che non esistano. Non significa che non possano essere riparati. Offriamo lettori N+1 assembla un dispositivo con le tue mani che ti permetterà di "vedere" questa continua pioggia cosmica.

I rivelatori di particelle "reali", come quelli del Large Hadron Collider, costano milioni di dollari e pesano centinaia di tonnellate, ma cercheremo di accontentarci di un budget molto più modesto.

Avremo bisogno:

ghiaccio secco (circa 80 rubli per chilogrammo, è consigliabile acquistare un contenitore termico in plastica espansa per altri 300 rubli, altrimenti tutto ciò che hai acquistato evaporerà troppo rapidamente). Non serve molto ghiaccio secco, basta un chilogrammo;
alcol isopropilico (costa 370 rubli per 0,5 litro, venduto nei negozi di apparecchiature radio);
un pezzo di feltro (negozio di cucito, circa 150 rubli);
colla per attaccare il feltro sul fondo del contenitore ("Moment", 150 rubli);
un contenitore trasparente, come un acquario di plastica con coperchio (abbiamo acquistato un contenitore per alimenti in plastica rigida per 1,5 mila rubli);
sta per ghiaccio secco, può essere una cuvetta fotografica (trovata nella cucina editoriale);
torcia elettrica.

Puoi guardare l'esperimento sul nostro video:

Quali tracce si possono vedere:

Rivista di simmetria

Tracce lunghe e strette sono lasciate dai muoni, i parenti pesanti (e di breve durata) degli elettroni. Sono prodotti in abbondanza nell'alta atmosfera quando le particelle ad alta energia si scontrano con gli atomi e creano interi sciami di particelle, per lo più muoni.

Come in qualsiasi esperimento fisico, quando si studiano le particelle elementari, è necessario prima mettere sperimentare e poi Registrati i suoi risultati. L'acceleratore è impegnato nella creazione dell'esperimento (collisione di particelle) e vengono studiati i risultati delle collisioni rivelatori di particelle elementari.

Per ricostruire il quadro della collisione, è necessario non solo scoprire quali particelle sono nate, ma anche misurarne le caratteristiche con grande accuratezza, in primis la traiettoria, la quantità di moto e l'energia. Tutto questo viene misurato utilizzando diversi tipi di rivelatori, che circondano il luogo di collisione delle particelle in strati concentrici.

I rivelatori di particelle elementari possono essere divisi in due gruppi: rilevatori di tracce, che misurano la traiettoria delle particelle, e calorimetri che misurano le loro energie. I rilevatori di tracce cercano di seguire il movimento delle particelle senza introdurre alcuna distorsione. I calorimetri, invece, devono assorbire completamente una particella per poterne misurare l'energia. Di conseguenza, si presenta un layout standard di un moderno rivelatore: all'interno ci sono diversi strati di rilevatori di tracce e all'esterno diversi strati di calorimetri, oltre a speciali rivelatori di muoni. Forma generale un tipico rivelatore moderno è mostrato in fig. uno.

Di seguito sono brevemente descritti la struttura e il principio di funzionamento dei componenti principali dei moderni rivelatori. L'enfasi è su alcuni dei più principi generali rilevamento. Per i rivelatori specifici che operano al Large Hadron Collider, vedere Detector at the LHC.

Rilevatori di tracce

I rilevatori di tracce ricostruiscono la traiettoria delle particelle. Di solito si trovano nella regione del campo magnetico, quindi la quantità di moto della particella può essere determinata dalla curvatura della traiettoria della particella.

Il lavoro dei rilevatori di tracce si basa sul fatto che una particella carica che passa crea una scia di ionizzazione, ovvero elimina gli elettroni dagli atomi sul suo percorso. In questo caso, l'intensità di ionizzazione dipende sia dal tipo di particella che dal materiale del rivelatore. Gli elettroni liberi sono raccolti dall'elettronica, il segnale da cui riporta le coordinate delle particelle.

Rilevatore di vertici

vertice(microvertice, pixel) rivelatore- Si tratta di un rivelatore a semiconduttore multistrato, costituito da lastre sottili separate con l'elettronica depositata direttamente su di esse. Questo è lo strato più interno dei rivelatori: di solito inizia immediatamente all'esterno del tubo a vuoto (a volte il primo strato è montato direttamente sulla parete esterna del tubo a vuoto) e occupa i primi centimetri in direzione radiale. Il silicio viene solitamente scelto come materiale semiconduttore a causa della sua elevata resistenza alle radiazioni (gli strati interni del rivelatore sono esposti a enormi dosi di radiazioni dure).

In sostanza, il rilevatore di vertici funziona allo stesso modo di un sensore di una fotocamera digitale. Quando una particella carica vola attraverso questa piastra, lascia una traccia in essa: una nuvola di ionizzazione di diverse decine di micron. Questa ionizzazione viene letta dall'elemento elettronico direttamente sotto il pixel. Conoscendo le coordinate dei punti di intersezione di una particella con più piastre rivelatori di pixel consecutive, è possibile ricostruire le traiettorie tridimensionali delle particelle e risalirle all'interno del tubo. Attraverso l'intersezione di tali traiettorie ricostruite in un punto dello spazio, vertice- il punto in cui sono nate queste particelle.

A volte si scopre che ci sono molti di questi vertici, e uno di questi di solito giace direttamente sull'asse di collisione dei raggi in collisione (vertice primario) e il secondo è a distanza. Questo di solito significa che i protoni si sono scontrati al vertice primario e hanno dato immediatamente origine a diverse particelle, ma alcune di esse sono riuscite a volare per una certa distanza prima di decadere in particelle figlie.

Nei rivelatori moderni, la precisione di ricostruzione dei vertici raggiunge i 10 micron. Ciò consente di registrare in modo affidabile i casi in cui i vertici secondari sono a 100 micron di distanza dall'asse di collisione. È proprio a tali distanze che volano via vari adroni metastabili, che hanno nella loro composizione un quark c o b (i cosiddetti adroni "incantati" e "affascinanti"). Pertanto, il rilevatore di vertici è strumento essenziale rivelatore LHCb, il cui compito principale sarà quello di studiare questi adroni.

I semiconduttori funzionano secondo un principio simile. rivelatori a microstriscia, in cui vengono utilizzate le strisce di materiale sensibile più sottili, ma piuttosto lunghe, invece di piccoli pixel. In essi, la ionizzazione non si deposita immediatamente, ma si sposta lungo la striscia e viene letta alla sua estremità. Le strisce sono progettate in modo tale che la velocità di spostamento della nuvola di carica lungo di essa sia costante e che non si offuschi. Pertanto, conoscendo il momento in cui la carica arriva all'elemento di lettura, è possibile calcolare le coordinate del punto in cui la particella carica ha perforato la striscia. La risoluzione spaziale dei rilevatori di microstrisce è peggiore di quella dei rilevatori di pixel, ma possono coprire molto di più di vasta area, poiché non ne hanno bisogno un largo numero elementi di lettura.

Telecamere alla deriva

Telecamere alla deriva- Si tratta di camere piene di gas che sono poste all'esterno dei rivelatori a binario a semiconduttore, dove il livello di radiazione è relativamente basso e non è richiesta una precisione così elevata nella determinazione della posizione, come con i rivelatori a semiconduttore.

Una classica camera di deriva è un tubo riempito di gas, all'interno del quale sono tesi molti fili molto sottili. Funziona come un rilevatore di vertici, ma non su una piastra piana, ma in volume. Tutti i fili sono in tensione e la loro disposizione è scelta in modo tale da essere uniforme campo elettrico. Quando una particella carica vola attraverso una camera a gas, lascia una scia di ionizzazione spaziale. Sotto l'influenza campo elettrico la ionizzazione (in primis gli elettroni) si muove a velocità costante (i fisici dicono "deriva") lungo le linee di campo verso i fili dell'anodo. Raggiunto il bordo della camera, la ionizzazione viene immediatamente assorbita dall'elettronica, che trasmette un impulso di segnale all'uscita. Poiché ci sono molti elementi di lettura, i segnali da essi possono essere utilizzati per ripristinare le coordinate di una particella volante, e quindi la traiettoria, con buona precisione.

Di solito la quantità di ionizzazione che si crea Camera a gas la particella che passa è piccola. Per aumentare l'affidabilità della raccolta e della registrazione della carica e ridurre l'errore nella sua misurazione, è necessario amplificare il segnale ancor prima che venga registrato dall'elettronica. Questo viene fatto utilizzando una rete speciale di fili anodici e catodici tesi vicino all'apparecchiatura di lettura. Passando vicino al filo dell'anodo, la nuvola di elettroni genera su di essa una valanga, a seguito della quale il segnale elettronico viene moltiplicato.

Più forte è il campo magnetico e maggiori sono le dimensioni del rivelatore stesso, più forte è la traiettoria della particella devia da una linea retta, il che significa che più affidabile è possibile misurare il suo raggio di curvatura e ricostruire la quantità di moto della particella da questo. Pertanto, per studiare le reazioni con particelle di energie molto elevate, centinaia di GeV e TeV, è auspicabile costruire rivelatori più grandi e utilizzare campi magnetici più forte. Per ragioni puramente ingegneristiche, di solito è possibile aumentare solo uno di questi valori a scapito dell'altro. I due più grandi rivelatori dell'LHC - ATLAS e CMS - differiscono solo in quale di questi valori è ottimizzato. Al rivelatore ATLAS taglie maggiori, ma un campo più piccolo, mentre il rivelatore CMS ha un campo più forte, ma in generale è più compatto.

Telecamera a proiezione temporale

Un tipo speciale di camera di deriva è il cosiddetto telecamera di proiezione del tempo(VPK). In effetti, il VPK è una grande cella di deriva cilindrica di diversi metri. In tutto il suo volume si crea un campo elettrico uniforme lungo l'asse del cilindro. L'intera scia di ionizzazione vorticosa che le particelle lasciano quando volano attraverso questa camera si sposta uniformemente alle estremità del cilindro, mantenendo la sua forma spaziale. Le traiettorie sono, per così dire, "proiettate" alle estremità della camera, dove un'ampia schiera di elementi di lettura registra l'arrivo della carica. Le coordinate radiali e angolari sono determinate dal numero del sensore e la coordinata lungo l'asse del cilindro è determinata dal tempo di arrivo del segnale. Grazie a ciò, è possibile ripristinare un'immagine tridimensionale del movimento delle particelle.

Tra gli esperimenti in corso all'LHC, il rilevatore ALICE utilizza la telecamera a proiezione temporale.

Rivelatori Roman Pots

Esiste un tipo speciale di rivelatori di pixel a semiconduttore che funzionano direttamente all'interno del tubo a vuoto, in prossimità della trave. Furono proposti per la prima volta negli anni '70 da un gruppo di ricerca di Roma e da allora sono diventati noti come pentole romane("Pentole romane").

I rivelatori Roman Pots sono stati progettati per rilevare particelle deviate da angoli molto piccoli durante una collisione. I rivelatori convenzionali situati all'esterno del tubo a vuoto non sono adatti qui semplicemente perché una particella emessa con un angolo molto piccolo può volare per molti chilometri all'interno del tubo a vuoto, ruotando insieme al raggio principale e non scappando. Per registrare tali particelle, è necessario posizionare piccoli rivelatori all'interno del tubo a vuoto attraverso l'asse del raggio, ma senza toccare il raggio stesso.

Per fare ciò, in una certa sezione dell'anello accelerante, solitamente a una distanza di centinaia di metri dal punto di collisione dei fasci in collisione, viene inserita una sezione speciale del tubo a vuoto con "maniche" trasversali. Piccoli rilevatori di pixel, di diversi centimetri, sono posizionati su piattaforme mobili. Quando il raggio è appena iniettato, è ancora instabile e ha grandi dimensioni vibrazioni trasversali. I rilevatori in questo momento sono nascosti all'interno delle maniche per evitare danni da un raggio diretto. Dopo che il raggio si è stabilizzato, le piattaforme si allontanano dalle loro braccia e spostano le matrici sensibili dei rivelatori Roman Pots in prossimità del raggio, a una distanza di 1-2 millimetri. Alla fine del ciclo successivo dell'acceleratore, prima che il vecchio raggio venga lasciato cadere e ne venga iniettato uno nuovo, i rivelatori vengono riaccostati nelle loro braccia e aspettano la prossima sessione di funzionamento.

I rivelatori di pixel utilizzati nei Roman Pot differiscono dai rivelatori di vertici convenzionali in quanto massimizzano la porzione della superficie del wafer occupata dagli elementi di rilevamento. In particolare, sul bordo della lastra, più vicino alla trave, non vi è praticamente alcuna zona "morta" insensibile ( "senza bordi"-tecnologia).

Uno degli esperimenti al Large Hadron Collider, TOTEM, utilizzerà solo molti di questi rivelatori. Diversi altri progetti simili sono in fase di sviluppo. Il rivelatore di vertici dell'esperimento LHCb porta anche alcuni elementi di questa tecnologia.

Puoi leggere di più su questi rivelatori nell'articolo del CERN Courier Roman pots for the LHC o nella documentazione tecnica dell'esperimento TOTEM.

Calorimetri

I calorimetri misurano l'energia delle particelle elementari. Per fare questo, metti sul percorso delle particelle strato spesso sostanza densa (di solito metallo pesante - piombo, ferro, ottone). Una particella al suo interno si scontra con elettroni o nuclei atomici e di conseguenza genera un flusso di particelle secondarie - doccia. L'energia della particella iniziale è distribuita tra tutte le particelle della doccia, in modo che l'energia di ogni singola particella in questa doccia diventi piccola. Di conseguenza, la doccia si blocca nello spessore della sostanza, le sue particelle vengono assorbite e annientate e una parte, abbastanza definita, dell'energia viene rilasciata sotto forma di luce. Questo lampo di luce viene raccolto alle estremità del calorimetro da fotomoltiplicatori, che lo convertono in un impulso elettrico. Inoltre, l'energia della doccia può essere misurata raccogliendo la ionizzazione con piastre sensibili.

Elettroni e fotoni, passando attraverso la materia, si scontrano principalmente con gusci di elettroni atomi e generano una doccia elettromagnetica - un flusso di un gran numero di elettroni, positroni e fotoni. Tali acquazzoni si sviluppano rapidamente a basse profondità e di solito vengono assorbiti da uno strato di materia spesso diverse decine di centimetri. Gli adroni ad alta energia (protoni, neutroni, pi-mesoni e K-mesoni) perdono energia principalmente a causa delle collisioni con i nuclei. In questo caso si genera una pioggia di adroni, che penetra molto più in profondità nello spessore della materia rispetto a quella elettromagnetica, e inoltre è più ampia. Pertanto, per assorbire completamente una doccia adronica da una particella di altissima energia, sono necessari uno o due metri di materia.

La differenza tra le caratteristiche delle docce elettromagnetiche e di adroni è sfruttata al massimo nei moderni rivelatori. I calorimetri sono spesso realizzati a due strati: all'interno si trovano calorimetri elettromagnetici, in cui vengono assorbite prevalentemente docce elettromagnetiche, e all'esterno - calorimetri adroni, che sono "raggiungibili" solo da docce di adroni. Pertanto, i calorimetri non solo misurano l'energia, ma determinano anche il "tipo di energia", sia essa di origine elettromagnetica o adronica. Questo è molto importante per corretta comprensione si è verificato al centro del rivelatore di collisione di protoni.

Per registrare una doccia con mezzi ottici, il materiale del calorimetro deve avere proprietà di scintillazione. A scintillatore i fotoni di una lunghezza d'onda vengono assorbiti in modo molto efficiente, portando all'eccitazione delle molecole della sostanza e questa eccitazione viene rimossa emettendo fotoni di energia inferiore. Per i fotoni emessi, lo scintillatore è già trasparente, e quindi possono raggiungere il bordo della cella calorimetrica. I calorimetri utilizzano scintillatori standard a lungo studiati, per i quali è noto quale parte dell'energia della particella iniziale viene convertita in un flash ottico.

Per assorbire efficacemente le docce, è necessario utilizzare la sostanza più densa possibile. Ci sono due modi per conciliare questo requisito con i requisiti per gli scintillatori. In primo luogo, si possono scegliere scintillatori molto pesanti e riempirne il calorimetro. In secondo luogo, è possibile realizzare un "sbuffo" di piastre alternate di una sostanza pesante e uno scintillatore leggero. Esistono anche versioni più esotiche del design del calorimetro, ad esempio i calorimetri "spaghetti", in cui molte sottili fibre di quarzo sono incorporate in una massiccia matrice assorbente.Una doccia, che si sviluppa lungo un tale calorimetro, crea luce Cherenkov nel quarzo, che viene emesso attraverso le fibre fino alla fine del calorimetro.

L'accuratezza del ripristino dell'energia di una particella in un calorimetro migliora con l'aumentare dell'energia. Per particelle con energie di centinaia di GeV, l'errore è di circa una percentuale per i calorimetri elettromagnetici e di una piccola percentuale per quelli adronici.

Camere a muoni

Una caratteristica dei muoni è che perdono energia molto lentamente mentre si muovono attraverso la materia. Ciò è dovuto al fatto che, da un lato, sono molto pesanti, quindi non possono trasferire efficacemente energia agli elettroni in una collisione e, in secondo luogo, non partecipano a forti interazioni, quindi sono debolmente dispersi dai nuclei. Di conseguenza, i muoni possono far volare molti metri di materia prima che si fermino, penetrando dove nessun'altra particella può raggiungere.

Questo, da un lato, rende impossibile misurare l'energia dei muoni usando i calorimetri (dopotutto, un muone non può essere completamente assorbito), ma dall'altro rende possibile distinguere bene i muoni dalle altre particelle. Nei moderni rivelatori camere muoniche situato negli strati più esterni del rivelatore, spesso anche al di fuori del massiccio giogo metallico che crea un campo magnetico nel rivelatore. Tali tubi non misurano l'energia, ma la quantità di moto dei muoni e, allo stesso tempo, si può presumere con buona certezza che queste particelle siano precisamente muoni e non nient'altro. Esistono diverse varietà di camere a muoni utilizzate per scopi diversi.

Identificazione delle particelle

Una questione separata è identificazione delle particelle, cioè scoprire che tipo di particella è passata attraverso il rivelatore. Questo non sarebbe difficile se conoscessimo la massa della particella, ma è proprio questo che di solito non sappiamo. Da un lato, la massa può essere calcolata in linea di principio utilizzando le formule della cinematica relativistica, conoscendo l'energia e la quantità di moto della particella, ma, purtroppo, gli errori nella loro misurazione sono solitamente così grandi da non consentire di distinguere, ad esempio , un pi-mesone da un muone a causa della loro vicinanza wt.

In questa situazione, ci sono quattro metodi principali per identificare le particelle:

Di risposta in tipi diversi calorimetri e tubi muonici.
Di rilascio di energia nei rilevatori di tracce. Particelle varie producono diverse quantità di ionizzazione per centimetro di percorso e questo può essere misurato dalla potenza del segnale dai rilevatori di tracce.
attraverso Contrattacchi Cherenkov. Se una particella vola attraverso un materiale trasparente con un indice di rifrazione n ad una velocità maggiore della velocità della luce in quel materiale (cioè maggiore di c/n), quindi emette radiazioni Cherenkov in direzioni rigorosamente definite. Se prendiamo l'aerogel come sostanza rivelatore (il tipico indice di rifrazione n= 1,03), quindi la radiazione Cherenkov proveniente da particelle che si muovono a una velocità di 0,99 c e 0,995 c, differirà in modo significativo.
attraverso telecamere del tempo di volo. In essi, con l'ausilio di rivelatori ad altissima risoluzione temporale, viene misurato il tempo di volo di una particella in una determinata sezione della camera e da questo viene calcolata la sua velocità.

Ciascuno di questi metodi ha le sue difficoltà ed errori, quindi l'identificazione delle particelle di solito non è garantita per essere corretta. A volte il programma per l'elaborazione dei dati "grezzi" dal rivelatore può giungere alla conclusione che un muone è volato attraverso il rivelatore, sebbene in realtà fosse un pione. È impossibile eliminare completamente tali errori. Resta solo da studiare attentamente il rivelatore prima dell'operazione (ad esempio, con l'aiuto di muoni cosmici), scoprire la percentuale di casi di identificazione errata delle particelle e tenerne sempre conto durante l'elaborazione di dati reali.

Requisiti per i rivelatori

I moderni rilevatori di particelle sono talvolta indicati come i "fratelli maggiori" delle fotocamere digitali. Tuttavia, vale la pena ricordare che le condizioni operative della telecamera e del rilevatore sono fondamentalmente diverse.

Prima di tutto, tutti gli elementi del rivelatore devono esserlo molto veloce e sincronizzati in modo molto preciso tra loro. Al Large Hadron Collider, al massimo delle prestazioni, i grumi entreranno in collisione 40 milioni di volte al secondo. In ogni collisione si verificherà la nascita di particelle, che lasceranno la loro "immagine" nel rivelatore, e il rivelatore non deve "soffocare" su questo flusso di "immagini". Di conseguenza, in 25 nanosecondi, è necessario raccogliere tutta la ionizzazione lasciata dalle particelle volanti, trasformarla in segnali elettrici e pulire il rivelatore, preparandolo per la successiva porzione di particelle. In 25 nanosecondi, le particelle volano a soli 7,5 metri, che è paragonabile alle dimensioni di grandi rivelatori. Mentre la ionizzazione delle particelle che passano si accumula negli strati esterni del rivelatore, le particelle della prossima collisione stanno già volando attraverso i suoi strati interni!

Il secondo requisito chiave per il rivelatore è resistenza alle radiazioni. Le particelle elementari che volano via dal posto di collisione di mazzi sono radiazioni reali e molto dure. Ad esempio, la dose assorbita prevista di radiazione ionizzante che il rivelatore di vertici riceverà durante il funzionamento è di 300 kilogray più un flusso di neutroni totale di 5,10 14 neutroni per cm 2 . In queste condizioni, il rilevatore dovrebbe funzionare per anni e continuare a funzionare. Questo vale non solo per i materiali del rivelatore stesso, ma anche per l'elettronica con cui è imbottito. Ci sono voluti diversi anni per creare e testare un'elettronica tollerante ai guasti che funzionasse in condizioni di radiazioni così difficili.

Un altro requisito per l'elettronica - bassa potenza erogata. All'interno dei rilevatori multimetro non c'è spazio libero: ogni centimetro cubo di volume è riempito con attrezzature utili. Il sistema di raffreddamento porta inevitabilmente via il volume di lavoro del rilevatore - dopotutto, se una particella vola proprio attraverso il tubo di raffreddamento, semplicemente non verrà registrata. Pertanto, il rilascio di energia dall'elettronica (centinaia di migliaia di schede e fili separati che prendono informazioni da tutti i componenti del rivelatore) dovrebbe essere minimo.

Letteratura aggiuntiva:

K. Groupen. "Rivelatori di particelle elementari" // Cronografo siberiano, Novosibirsk, 1999.
Rilevatori di particelle (PDF, 1,8 Mb).
Rivelatori di particelle // capitolo da Guida allo studio BS Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. “Particelle e nuclei. Sperimentare". M.: Casa editrice dell'Università statale di Mosca, 2005.
NM Nikityuk. Rilevatori di microapice di precisione (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, vol.28, n. 1, pp. 191–242 (1997).

Pollice. XXIII abbiamo fatto conoscenza con i dispositivi utilizzati per rilevare le microparticelle: una camera a nebbia, un contatore di scintillazione, un contatore di scarica di gas. Questi rivelatori, sebbene utilizzati nella ricerca sulle particelle elementari, non sono sempre convenienti. Il fatto è che i processi di interazione più interessanti, accompagnati da trasformazioni reciproche di particelle elementari, si verificano molto raramente. Una particella deve incontrare molti nucleoni o elettroni sulla sua strada perché avvenga una collisione interessante. In pratica, deve percorrere un percorso misurato in decine di centimetri - metri nella materia densa (su tale percorso, una particella carica con un'energia di miliardi di elettronvolt perde solo una parte della sua energia a causa della ionizzazione).

Tuttavia, in una camera a nebbia o in un contatore a scarica di gas, lo strato sensibile (in termini di sostanza densa) è estremamente sottile. In relazione a ciò, sono stati applicati alcuni altri metodi per rilevare le particelle.

Il metodo fotografico si è rivelato molto fruttuoso. In speciali emulsioni fotografiche a grana fine, ogni particella carica che attraversa l'emulsione lascia una traccia che, dopo aver sviluppato la lastra, viene rilevata al microscopio sotto forma di una catena di grani neri. Dalla natura della traccia lasciata da una particella in un'emulsione fotografica, si può determinare la natura di questa particella: carica, massa ed energia. Il metodo fotografico è conveniente non solo perché si possono utilizzare materiali spessi, ma anche perché in una lastra fotografica, a differenza di una camera a nebbia, le tracce di particelle cariche non scompaiono subito dopo il passaggio della particella. Quando si studiano eventi rari, i record possono essere esposti a lungo; questo è particolarmente utile negli studi sui raggi cosmici. Esempi di eventi rari catturati in emulsione fotografica sono mostrati sopra in Fig. 414, 415; La figura è particolarmente interessante. 418.

Un altro metodo notevole si basa sull'uso delle proprietà dei liquidi surriscaldati (vedi Volume I, § 299). Quando un liquido molto puro viene riscaldato a una temperatura anche leggermente superiore al punto di ebollizione, il liquido non bolle, poiché la tensione superficiale impedisce la formazione di bolle di vapore. Il fisico americano Donald Glaeser (nato nel 1926) notò nel 1952 che un liquido surriscaldato bolle istantaneamente quando irradiato sufficientemente intensamente; l'energia aggiuntiva rilasciata nelle tracce di elettroni veloci creati nel liquido dalle radiazioni fornisce le condizioni per la formazione di bolle.

Sulla base di questo fenomeno, Glaeser ha sviluppato la cosiddetta camera a bolle di liquido. Liquido a alta pressione sanguigna riscaldato a una temperatura vicina, ma inferiore, al punto di ebollizione. Quindi la pressione, e con essa il punto di ebollizione, diminuisce e il liquido si surriscalda. Una traccia di bolle di vapore si forma lungo la traiettoria di una particella carica che attraversa il liquido in questo momento. Con la giusta illuminazione, può essere catturato da una fotocamera. Di norma, le camere a bolle si trovano tra i poli di un forte elettromagnete, il campo magnetico piega le traiettorie delle particelle. Misurando la lunghezza della traccia di una particella, il raggio della sua curvatura, la densità delle bolle, è possibile stabilire le caratteristiche della particella. Ora le camere a bolle hanno raggiunto un alto livello di perfezione; lavorare, ad esempio, camere riempite di idrogeno liquido, con un volume sensibile di diversi metri cubi. Esempi di fotografie di tracce di particelle in una camera a bolle sono mostrati in fico. 416, 417, 419, 420.

Riso. 418. Trasformazioni di particelle registrate in una pila di emulsioni fotografiche irradiate con raggi cosmici. Ad un certo punto, una particella neutra veloce invisibile ha causato la scissione di uno dei nuclei dell'emulsione e ha formato dei mesoni (una "stella" di 21 tracce). Uno dei mesoni, il -meson, dopo aver percorso un percorso intorno (nella fotografia sono mostrati solo l'inizio e la fine della traccia; con l'ingrandimento utilizzato nella fotografia, la lunghezza dell'intera traccia sarebbe stata ), si è fermato a un punto e decadde secondo lo schema . -il mesone, la cui traccia è diretta verso il basso, è stato catturato dal nucleo nel punto, provocandone la scissione. Uno dei frammenti di scissione era il nucleo, che, per decadimento, si è trasformato in un nucleo, disintegrandosi istantaneamente in due particelle che volano in direzioni opposte - nell'immagine formano un "martello". -mesone, fermatosi, si trasformò in -muone (e neutrino) (punto). La fine della traccia -muon è data a destra angolo superiore disegno; è visibile la traccia del positrone formatosi durante il decadimento.

Riso. 419. Formazione e decadimento di -iperoni. In una camera a bolle di idrogeno in un campo magnetico e irradiata con antiprotoni, la reazione . Si è verificato nel punto finale del sentiero (vedi diagramma in alto nella figura). Gli iperoni neutri lambda e antilambda, avendo volato per una breve distanza senza la formazione di traccia, decadono secondo gli schemi. L'antiprotone si annichila con il protone, formando due e due quanti-mesone sul protone; il protone no traccia visibile, poiché, a causa della grande massa, non riceve energia sufficiente quando interagisce con il -quantum