입자 탐지기. 소립자 검출의 물리적 원리

대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 "실제" 입자 탐지기는 수백만 달러의 비용과 수백 톤의 무게를 가집니다.

다음이 필요합니다.

드라이 아이스 (킬로그램 당 약 80 루블, 다른 300 루블을 위해 발포 플라스틱 열 용기를 구입하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 구입 한 모든 것이 너무 빨리 증발합니다). 많은 드라이 아이스가 필요하지 않으며 킬로그램이면 충분합니다.
이소 프로필 알코올 (0.5 리터당 370 루블, 무선 장비 매장에서 판매);
펠트 조각 (재봉 가게, 약 150 루블);
펠트를 용기 바닥에 붙이기위한 접착제 ( "순간", 150 루블);
뚜껑이있는 플라스틱 수족관과 같은 투명한 용기 (우리는 1.5,000 루블에 단단한 플라스틱 식품 용기를 샀습니다);
드라이 아이스를 의미하며 사진 큐벳이 될 수 있습니다(편집 주방에서 찾을 수 있음).
플래시.

시작하겠습니다. 먼저 용기 바닥에 펠트 조각을 붙이고 접착제가 마를 때까지 몇 시간 기다려야합니다. 그런 다음 펠트를 이소프로필 알코올에 담가야 합니다(알코올이 눈에 들어가지 않도록 주의하십시오!). 펠트를 알코올로 완전히 포화시킨 다음 나머지는 배수해야 합니다. 그런 다음 큐벳 바닥에 드라이아이스를 붓고 뚜껑으로 용기를 닫고 뚜껑을 아래로 하여 드라이아이스에 넣습니다. 이제 챔버 내부의 공기가 알코올 증기로 포화될 때까지 기다려야 합니다.

구름 챔버("안개 챔버"라고도 함)의 작동 원리는 매우 약한 충격으로도 포화된 알코올 증기가 응축된다는 것입니다. 그 결과, 우주 입자의 충돌에도 증기가 응결되고 미세한 물방울의 사슬(궤적)이 챔버에 형성됩니다.

비디오에서 실험을 볼 수 있습니다.

경험에 대한 몇 가지 참고 사항: 드라이아이스를 너무 많이 사지 마십시오. 열 용기에서도 하루 이내에 완전히 증발하며 산업용 냉장고를 찾을 가능성은 거의 없습니다. 투명 용기의 뚜껑은 검은색이어야 합니다. 예를 들어 검은색 유리로 아래에서 닫을 수 있습니다. 트랙은 검정색 배경에서 더 잘 보입니다. 이슬비처럼 특징적인 안개가 형성되는 컨테이너 바닥을 정확히 봐야 합니다. 이 안개 속에서 입자 트랙이 나타납니다.

볼 수 있는 트랙:

이것들은 우주 입자가 아닙니다. 짧고 두꺼운 트랙은 방사성 가스 라돈의 원자에서 방출되는 알파 입자의 흔적이며, 이는 지구의 창자에서 지속적으로 스며들고 환기되지 않는 방에 축적됩니다.

길고 좁은 궤도에는 전자의 무거운(그리고 수명이 짧은) 친척인 뮤온이 남습니다. 그들은 무리에서 태어납니다. 상층고에너지 입자가 원자와 충돌하여 대부분 뮤온으로 구성된 입자의 전체 소나기를 생성할 때 대기.

곡선 궤적은 전자 또는 그 반입자, 양전자의 표시입니다. 그들은 또한 우주선에 의해 생성되고 공기 분자와 충돌하며 지그재그로 움직일 수 있습니다.

트랙이 분기하는 것을 보았다면 운이 좋은 것입니다. 하나의 입자가 둘로 붕괴되는 것을 목격한 것입니다.

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4월 29일 저녁 늦은 시간(현재 일정이 변경됨) NASA는 Cern 탐지기를 궤도로 발사합니다. 소립자 AMS-02. 이 탐지기는 10년 동안 만들어졌으며, 더 오래된 "형제들"은 이미 Large Hadron Collider, 즉 지하에서 강력하게 작동하고 있으며 이것은 우주로 날아갈 것입니다! :)

여기 cern 보도 자료가 있습니다. 여기 21:30 CET에 시작하는 출시의 라이브 스트림이 있습니다. 트위터보고서도 보낼 것입니다. 출시 및 모든 후속 작업은 실험 웹사이트에서 추적할 수 있습니다. 그 동안 장치에 대해 간단히 이야기하고 과학적 과제.

AMS-02는 (거의) 모든 속성을 가진 실제 기본 입자 탐지기입니다. 크기는 4미터, 무게는 8.5톤입니다. 물론 ATLAS와 같은 거물과 비교할 수는 없지만 우주로 발사(및 ISS에 설치)하는 것만으로는 충분하지 않습니다.

지하 탐지기가 양성자와 다른 입자의 인공 충돌 중에 생성된 입자를 등록하면 AMS-02는 우주선을 등록할 것입니다. 물론 우주선은 거의 한 세기 동안 오랫동안 연구되어 왔지만 여전히 많은 신비가 그들과 관련되어 있습니다.

새로운 검출기의 가장 중요한 임무는 우주선의 조성을 초정밀로 측정하는 것입니다. 우주선에서 반물질의 비율은 얼마입니까? 에너지로 어떻게 변합니까? 충돌체에서 생성될 수 없지만 우주가 생성할 수 있는 소량의 새로운 무거운 안정 입자(암흑 물질 입자)가 있습니까? 아니면 일반 입자의 에너지 스펙트럼에 있는 미묘한 특징이 지금까지 알려지지 않은 초중량 입자의 붕괴에 의해 생성되었음을 나타낼 수 있습니까?

AMS-02는 검출기 물질을 통한 우주선 입자의 통과를 등록하고 운동량, 속도, 에너지 방출 및 전하를 측정하여 이러한 문제를 연구합니다. 입자 에너지 측면에서 검출기의 최적 감도의 "창"은 약 1GeV에서 수 TeV입니다. 이 창은 많은 모델의 예측을 다루며 LHC에서 감지기의 감도 창과도 겹칩니다. 그러나 Large Hadron Collider와 달리 여기에서는 우주 자체가 가속기 역할을 하며 이는 광범위한 결과를 초래할 수 있습니다.

하위 탐지기 및 하위 시스템 AMS-02().

기존의 지상(더 정확하게는 지하) 감지기와 마찬가지로 한 번에 여러 개의 개별 감지 시스템이 포함되어 있어 다른 특성입자. 그들과 달리 AMS-02는 "in" 피어링하지 않고 "look out"합니다. 그것은 고급 현대 탐지기의 한 부분처럼 보입니다.

장치는 실험 현장에 간략하게 설명되어 있습니다. 궤도를 복원하는 트랙 탐지기, 입자의 속도를 측정하는 Cherenkov 탐지기, 입자의 에너지를 측정하는 전자기 열량계 및 기타 시스템도 있습니다. 두 개의 다른 자석이 한 번에 서로 다른 전하를 분리합니다(나는 거짓말했습니다). 요금은 별도 영구 자석 0.125 Tesla 네오디뮴 합금. 또한 AMS-02에는 지하 감지기에 없는 GPS 센서와 별 추적 시스템이 있습니다. :)

이 모든 것이 10년 동안 지어졌으며 비용은 약 1.5기가 달러입니다. AMS 협력에는 16개국의 56개 기관이 포함됩니다.

가장 중요한 것은 이제 이것이 성공적으로 날아 갔다는 것입니다. 내일 저녁 우리는 출시를 따를 것입니다!

뮤온, 전자, 중성미자 등 우주에서 온 수만 개의 기본 입자가 매초 우리 몸을 통과합니다. 우리는 그것들을 느끼지도 보지도 않지만, 이것이 그것들이 존재하지 않는다는 것을 의미하지는 않습니다. 고칠 수 없다는 의미는 아닙니다. 우리는 독자에게 제공합니다 N+1이 지속적인 우주 비를 "볼"수있게 해주는 장치를 자신의 손으로 조립하십시오.

대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 "실제" 입자 탐지기는 수백만 달러의 비용과 수백 톤의 무게를 가집니다.

다음이 필요합니다.

드라이 아이스 (킬로그램 당 약 80 루블, 다른 300 루블을 위해 발포 플라스틱 열 용기를 구입하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 구입 한 모든 것이 너무 빨리 증발합니다). 많은 드라이 아이스가 필요하지 않으며 킬로그램이면 충분합니다.
이소 프로필 알코올 (0.5 리터당 370 루블, 무선 장비 매장에서 판매);
펠트 조각 (재봉 가게, 약 150 루블);
펠트를 용기 바닥에 붙이기위한 접착제 ( "순간", 150 루블);
뚜껑이있는 플라스틱 수족관과 같은 투명한 용기 (우리는 1.5,000 루블에 단단한 플라스틱 식품 용기를 샀습니다);
드라이 아이스를 의미하며 사진 큐벳이 될 수 있습니다(편집 주방에서 찾을 수 있음).
플래시.

비디오에서 실험을 볼 수 있습니다.

볼 수 있는 트랙:

대칭 잡지

길고 좁은 궤도에는 전자의 무거운(그리고 수명이 짧은) 친척인 뮤온이 남습니다. 그것들은 고에너지 입자가 원자와 충돌하여 입자의 전체 소나기(대부분 뮤온)를 생성할 때 상층 대기에서 풍부하게 생성됩니다.

여느 때와 같이 물리적 실험, 소립자를 공부할 때 가장 먼저 필요하다. 놓다실험하고 그 다음 등록하다그의 결과. 가속기는 실험 설정(입자 충돌)에 관여하며 충돌 결과는 다음을 사용하여 연구됩니다. 소립자 탐지기.

충돌의 그림을 재구성하려면 어떤 입자가 탄생했는지 알아내는 것뿐만 아니라 그 특성, 주로 궤적, 운동량 및 에너지를 매우 정확하게 측정해야 합니다. 이 모든 것은 동심원 층에서 입자 충돌 장소를 둘러싸는 다양한 유형의 검출기를 사용하여 측정됩니다.

기본 입자 탐지기는 두 그룹으로 나눌 수 있습니다. 추적 탐지기, 입자의 궤적을 측정하고, 열량계그들의 에너지를 측정합니다. 트랙 감지기는 왜곡 없이 입자의 움직임을 추적하려고 합니다. 반면에 열량계는 에너지를 측정하기 위해 입자를 완전히 흡수해야 합니다. 결과적으로 최신 감지기의 표준 레이아웃이 발생합니다. 내부에는 여러 겹의 트랙 감지기가 있고 외부에는 여러 층의 열량계와 특수 뮤온 검출기. 일반 양식전형적인 현대 검출기가 그림 1에 나와 있습니다. 하나.

현대 감지기의 주요 구성 요소의 구조와 작동 원리는 아래에 간략하게 설명되어 있습니다. 강조는 가장 일반 원칙발각. 대형 강입자 충돌기에서 작동하는 특정 감지기에 대해서는 LHC의 감지기를 참조하십시오.

추적 탐지기

트랙 탐지기는 입자의 궤적을 재구성합니다. 그들은 일반적으로 자기장의 영역에 위치하며 입자의 운동량은 입자 궤적의 곡률에서 결정할 수 있습니다.

트랙 탐지기의 작업은 통과하는 하전 입자가 이온화 흔적을 생성한다는 사실에 기반합니다. 즉, 경로에 있는 원자의 전자를 녹아웃시킵니다. 이 경우 이온화 강도는 입자 유형과 검출기 재료에 따라 다릅니다. 자유 전자는 입자의 좌표를 보고하는 신호인 전자 장치에 의해 수집됩니다.

정점 검출기

정상 회담(마이크로 정점, 픽셀) 탐지기- 이것은 전자 장치가 직접 증착된 별도의 얇은 판으로 구성된 다층 반도체 검출기입니다. 이것은 감지기의 가장 안쪽 층입니다. 일반적으로 진공관 바로 외부에서 시작하여(때로는 첫 번째 층이 진공관 외벽에 직접 장착됨) 반경 방향으로 처음 몇 센티미터를 차지합니다. 실리콘은 일반적으로 높은 복사 저항 때문에 반도체 재료로 선택됩니다(검출기의 내부 레이어는 엄청난 양의 하드 방사선에 노출됨).

기본적으로 정점 감지기는 디지털 카메라 센서와 같은 방식으로 작동합니다. 하전 입자가 이 판을 통과할 때 수십 미크론 크기의 이온화 구름이라는 흔적을 남깁니다. 이 이온화는 픽셀 바로 아래에 있는 전자 소자에 의해 판독됩니다. 여러 개의 연속 픽셀 검출기 판으로 입자의 교차점 좌표를 알면 입자의 3차원 궤적을 재구성하고 파이프 내부로 다시 추적할 수 있습니다. 이러한 재구성된 궤적의 교차를 통해 공간의 어떤 지점에서 꼭지점- 이 입자가 태어난 지점.

때로는 그러한 정점이 여러 개 있고 그 중 하나는 일반적으로 충돌하는 빔(기본 정점)의 충돌 축에 직접 놓여 있고 두 번째 정점은 멀리 떨어져 있습니다. 이것은 일반적으로 양성자가 기본 정점에서 충돌하여 즉시 여러 입자를 생성했지만 그 중 일부는 자식 입자로 붕괴되기 전에 약간의 거리를 날아갔다는 것을 의미합니다.

최신 감지기에서 정점 재구성 정확도는 10미크론에 이릅니다. 이렇게 하면 보조 정점이 충돌 축에서 100미크론 떨어져 있는 경우를 안정적으로 등록할 수 있습니다. 구성에 c 또는 b 쿼크를 포함하는 다양한 준안정 강입자(소위 "매혹된" 강입자 및 "매력적인" 강입자)가 날아가는 것은 바로 그러한 거리에 있습니다. 따라서 정점 검출기는 필수 도구이 강입자를 연구하는 것이 주요 임무가 될 검출기 LHCb입니다.

반도체도 비슷한 원리로 작동합니다. 마이크로스트립 검출기, 작은 픽셀 대신 가장 얇지만 다소 긴 민감한 재료 스트립이 사용됩니다. 그들에서 이온화는 즉시 해결되지 않지만 스트립을 따라 이동하고 끝에서 읽습니다. 스트립은 전하 구름 변위의 속도가 일정하고 흐려지지 않도록 설계되었습니다. 따라서 전하가 판독 요소에 도달하는 순간을 알면 하전 입자가 스트립을 관통한 지점의 좌표를 계산할 수 있습니다. 마이크로스트립 검출기의 공간 분해능은 픽셀 검출기보다 열악하지만 훨씬 더 많은 것을 커버할 수 있습니다. ~에 대한넓은 면적을 필요로 하지 않기 때문에 큰 수읽기 요소.

드리프트 카메라

드리프트 카메라- 이들은 반도체 트랙 검출기 외부에 배치되는 가스로 채워진 챔버로, 반도체 검출기와 같이 방사선 수준이 상대적으로 낮고 위치 결정의 높은 정확도가 필요하지 않습니다.

고전적인 드리프트 챔버는 가스로 채워진 튜브로 내부에 많은 매우 가는 와이어가 뻗어 있습니다. 정점 탐지기처럼 작동하지만 평평한 판에서는 작동하지 않지만 볼륨에서는 작동합니다. 모든 전선은 장력을 받고 있으며, 그 배열은 균일한 방식으로 선택됩니다. 전기장. 하전 입자가 가스실을 통과할 때 공간 이온화 흔적을 남깁니다. 영향을 받아 전기장이온화(우선 전자)는 자기장 라인을 따라 양극 와이어를 향해 일정한 속도로 이동합니다(물리학자들은 "드리프트"라고 함). 챔버의 가장자리에 도달하면 이온화가 즉시 전자 장치에 흡수되어 신호 펄스를 출력으로 전송합니다. 많은 판독 요소가 있기 때문에 그 신호를 사용하여 통과하는 입자의 좌표를 복원하고 궤적을 매우 정확하게 복원할 수 있습니다.

일반적으로 생성되는 이온화의 양 가스 방통과 입자가 작습니다. 전하 수집 및 등록의 신뢰성을 높이고 측정 오류를 줄이려면 전자 장치에 등록되기 전에도 신호를 증폭해야 합니다. 이것은 판독 장비 근처에 뻗어 있는 양극 및 음극 전선의 특수 네트워크를 사용하여 수행됩니다. 양극 와이어 근처를 지나가면 전자 구름이 그 위에 눈사태를 일으켜 전자 신호가 증가합니다.

자기장이 강하고 검출기 자체의 치수가 클수록 입자 궤적이 직선에서 더 강해집니다. 즉, 곡률 반경을 측정하고 이로부터 입자 운동량을 재구성하는 것이 보다 안정적으로 가능합니다. 따라서 수백 GeV 및 TeV의 매우 높은 에너지 입자와의 반응을 연구하려면 더 큰 검출기를 만들고 사용하는 것이 바람직합니다. 자기장더 강한. 순전히 공학적 이유 때문에 일반적으로 다른 값을 희생시키면서 이러한 값 중 하나만 증가시키는 것이 가능합니다. LHC에서 가장 큰 두 검출기(ATLAS 및 CMS)는 이러한 값 중 최적화된 값이 다를 뿐입니다. ATLAS 감지기에서 더 큰 크기, 그러나 더 작은 필드인 반면 CMS 검출기는 더 강한 필드를 갖지만 일반적으로 더 컴팩트합니다.

시간 투영 카메라

특수 유형의 드리프트 챔버는 소위 시간 프로젝션 카메라(VPK). 사실, VPK는 크기가 수 미터에 달하는 커다란 원통형 드리프트 셀입니다. 전체 볼륨에서 실린더의 축을 따라 균일한 전기장이 생성됩니다. 이 챔버를 통해 날아갈 때 입자가 남기는 소용돌이치는 이온화 흔적 전체는 공간적 형태를 유지하면서 실린더 끝으로 균일하게 드리프트합니다. 궤적은 말하자면 챔버의 끝 부분에 "투영"되어 있으며, 여기에서 많은 판독 요소가 전하의 도착을 등록합니다. 반경 및 각도 좌표는 센서 번호에 의해 결정되고 실린더 축을 따른 좌표는 신호 도달 시간에 의해 결정됩니다. 덕분에 입자의 움직임에 대한 3차원 그림을 복원할 수 있습니다.

LHC에서 진행 중인 실험 중 ALICE 검출기는 시간 투영 카메라를 사용합니다.

로마 냄비 탐지기

직접 작동하는 특별한 유형의 반도체 픽셀 감지기가 있습니다. 진공관 내부, 빔에 근접합니다. 그들은 1970년대에 로마의 연구 그룹에 의해 처음 제안되었으며 그 이후로 로마 냄비( "로마 냄비").

Roman Pots 감지기는 충돌 중에 매우 작은 각도로 벗어난 입자를 감지하도록 설계되었습니다. 진공관 외부에 위치한 기존의 검출기는 매우 작은 각도로 방출된 입자가 진공관 내부에서 수 킬로미터를 날아갈 수 있고 메인 빔을 따라 회전하고 탈출하지 못하기 때문에 여기에 적합하지 않습니다. 이러한 입자를 등록하려면 빔 자체를 건드리지 않고 빔 축을 가로질러 진공관 내부에 작은 검출기를 배치해야 합니다.

이를 위해 일반적으로 충돌하는 빔의 충돌 지점에서 수백 미터 떨어진 가속 링의 특정 섹션에 가로 "슬리브"가 있는 진공관의 특수 섹션이 삽입됩니다. 크기가 몇 센티미터인 작은 픽셀 감지기가 모바일 플랫폼에 배치됩니다. 빔이 방금 주입되었을 때 여전히 불안정하고 큰 횡진동. 이때 검출기는 직사광선에 의한 손상을 피하기 위해 슬리브 내부에 숨겨져 있습니다. 빔이 안정화되면 플랫폼이 팔에서 벗어나 1-2mm 거리에서 빔에 매우 근접한 Roman Pots 감지기의 민감한 매트릭스를 이동합니다. 다음 가속기 사이클이 끝나면 기존 빔을 버리고 새 빔을 주입하기 전에 감지기가 팔로 다시 당겨지고 다음 작업 세션이 오기를 기다립니다.

Roman Pots에 사용되는 픽셀 감지기는 민감한 요소가 차지하는 웨이퍼 표면 부분을 최대화한다는 점에서 기존의 정점 감지기와 다릅니다. 특히 빔에 가장 가까운 플레이트의 가장자리에는 거의 둔감한 "데드"존이 없습니다( "가장자리 없는"-기술).

Large Hadron Collider의 실험 중 하나인 TOTEM은 이러한 검출기 중 몇 개만 사용할 것입니다. 몇 가지 더 유사한 프로젝트가 개발 중입니다. LHCb 실험의 정점 검출기는 이 기술의 일부 요소도 가지고 있습니다.

CERN Courier 기사 LHC용 Roman pots 또는 TOTEM 실험의 기술 문서에서 이러한 감지기에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.

열량계

열량계는 소립자의 에너지를 측정합니다. 이렇게하려면 입자의 경로에 넣어 두꺼운 층고밀도 물질(보통 중금속 - 납, 철, 황동). 그 안의 입자는 전자 또는 원자핵과 충돌하여 결과적으로 2차 입자의 흐름을 생성합니다. 샤워. 초기 입자의 에너지는 모든 샤워 입자에 분산되어 이 샤워에 있는 각 개별 입자의 에너지가 작아집니다. 그 결과, 샤워는 물질의 두께에 갇히게 되고, 그 입자는 흡수되고 소멸되며, 일부는 확실히 에너지의 일부가 빛의 형태로 방출됩니다. 이 섬광은 열량계의 끝에서 광전자 증배관에 의해 수집되어 전기 충격으로 변환됩니다. 또한 샤워 에너지는 민감한 플레이트로 이온화를 수집하여 측정할 수 있습니다.

물질을 통과하는 전자와 광자는 주로 충돌 전자 껍질원자를 생성하고 많은 수의 전자, 양전자 및 광자의 흐름인 전자기 샤워를 생성합니다. 그러한 소나기는 얕은 깊이에서 빠르게 발달하며 일반적으로 수십 센티미터 두께의 물질 층으로 흡수됩니다. 고에너지 강입자(양성자, 중성자, 파이 중간자 및 K 중간자)는 주로 핵과의 충돌로 인해 에너지를 잃습니다. 이 경우 전자파보다 물질의 두께에 훨씬 더 깊숙이 침투하는 하드론 샤워가 생성되며, 게다가 더 넓습니다. 따라서 매우 높은 에너지의 입자로부터 강입자성 소나기를 완전히 흡수하려면 1~2미터의 물질이 필요합니다.

전자기 및 강입자 샤워의 특성 간의 차이는 현대 감지기에서 최대로 사용됩니다. 열량계는 종종 2층으로 만들어집니다. 내부는 전자기 열량계, 주로 전자기 샤워가 흡수되는 외부 - 강입자 열량계, 강입자 소나기에 의해서만 "도달"됩니다. 따라서 열량계는 에너지를 측정할 뿐만 아니라 "에너지 유형"(전자기 또는 강입자 기원 여부)도 결정합니다. 이것은 매우 중요합니다. 올바른 이해양성자 충돌 감지기의 중심에서 발생했습니다.

광학 수단으로 샤워를 등록하려면 열량계의 재료가 섬광 특성을 가져야 합니다. 에 신틸레이터한 파장의 광자는 매우 효율적으로 흡수되어 물질 분자의 여기를 유도하고, 이 여기는 더 낮은 에너지의 광자를 방출하여 제거됩니다. 방출된 광자의 경우 신틸레이터는 이미 투명하므로 열량계 셀의 가장자리에 도달할 수 있습니다. 열량계는 초기 입자의 에너지 중 어느 부분이 광학 플래시로 변환되는지 잘 알려진 오래 연구된 표준 신틸레이터를 사용합니다.

샤워를 효과적으로 흡수하려면 가능한 한 밀도가 높은 물질을 사용해야합니다. 이 요구 사항을 신틸레이터에 대한 요구 사항과 조화시키는 두 가지 방법이 있습니다. 첫째, 매우 무거운 신틸레이터를 선택하여 열량계를 채울 수 있습니다. 둘째, 무거운 물질과 가벼운 신틸레이터의 교대 판의 "퍼프"를 만드는 것이 가능합니다. 많은 얇은 석영 섬유가 거대한 흡수체의 매트릭스에 내장되어 있는 "스파게티" 열량계와 같이 더 이국적인 버전의 열량계 디자인도 있습니다. 이러한 열량계를 따라 발전하는 샤워는 석영에 체렌코프 빛을 생성합니다 , 열량계의 끝까지 섬유를 통해 출력됩니다.

열량계에서 입자의 에너지 복원 정확도는 에너지가 증가함에 따라 향상됩니다. 수백 GeV의 에너지를 가진 입자의 경우 오류는 전자기 열량계의 경우 약 1%, 강입자 열량계의 경우 몇 %입니다.

뮤온 챔버

뮤온의 특징은 물질을 통과할 때 매우 천천히 에너지를 잃는다는 것입니다. 이것은 한편으로 매우 무거워서 충돌시 에너지를 전자에 효과적으로 전달할 수 없으며 두 번째로 강한 상호 작용에 참여하지 않아 핵에 의해 약하게 산란되기 때문입니다. 결과적으로 뮤온은 물질이 멈추기 전에 수 미터의 물질을 날고 다른 입자가 도달할 수 없는 곳으로 침투할 수 있습니다.

이것은 한편으로 열량계를 사용하여 뮤온 에너지를 측정하는 것을 불가능하게 만들지만(결국 뮤온은 완전히 흡수될 수 없음), 다른 한편으로 뮤온을 다른 입자와 잘 구별할 수 있게 합니다. 현대 감지기에서 뮤온 챔버검출기의 가장 바깥쪽 층에 위치하며, 종종 검출기에서 자기장을 생성하는 거대한 금속 요크 외부에도 있습니다. 그러한 관은 에너지가 아니라 뮤온의 운동량을 측정하며, 동시에 이 입자가 정확히 뮤온이며 다른 어떤 것도 아니라는 것을 확실하게 가정할 수 있습니다. 다양한 목적으로 사용되는 여러 종류의 뮤온 챔버가 있습니다.

입자 식별

별도의 문제는 입자 식별즉, 어떤 종류의 입자가 탐지기를 통과했는지 알아내는 것입니다. 입자의 질량을 안다면 이것은 어렵지 않을 것이지만, 우리가 일반적으로 알지 못하는 것은 바로 이것입니다. 한편으로 질량은 원칙적으로 입자의 에너지와 운동량을 알고 상대론적 운동학의 공식을 사용하여 계산할 수 있지만 불행히도 측정 오류는 일반적으로 너무 커서 구별할 수 없습니다. , 근접성으로 인해 뮤온의 파이 중간자 wt.

이 상황에서 입자를 식별하는 네 가지 주요 방법이 있습니다.

에 의해 응답~에 다른 유형열량계 및 뮤온관.
에 의해 에너지 방출트랙 감지기에서. 기타 입자경로 센티미터당 다양한 양의 이온화를 생성하며 이는 트랙 감지기의 신호 강도로 측정할 수 있습니다.
을 통해 체렌코프 카운터. 입자가 굴절률을 가진 투명한 물질을 통과하는 경우 N그 물질에서 빛의 속도보다 빠른 속도로(즉, c/n), 엄격하게 정의된 방향으로 체렌코프 방사선을 방출합니다. 에어로겔을 검출 물질로 취하면 (전형적인 굴절률 N= 1.03), 0.99의 속도로 움직이는 입자의 체렌코프 복사 씨및 0.995 씨, 크게 다를 것입니다.
을 통해 비행 시간 카메라. 그들에서 매우 높은 시간 분해능을 가진 검출기의 도움으로 챔버의 특정 섹션에서 입자의 비행 시간이 측정되고 이것에서 속도가 계산됩니다.

이러한 각 방법에는 고유한 어려움과 오류가 있으므로 일반적으로 입자 식별이 정확하다고 보장되지 않습니다. 때로는 탐지기의 "원시"데이터를 처리하는 프로그램이 실제로는 파이온이었지만 뮤온이 탐지기를 통해 날아갔다는 결론에 도달할 수 있습니다. 이러한 오류를 완전히 제거하는 것은 불가능합니다. 작동하기 전에 탐지기를주의 깊게 연구하고 (예 : 우주 뮤온 사용), 입자가 잘못 식별 된 경우의 비율을 찾고, 실제 데이터를 처리 할 때 항상 고려하는 것만 남아 있습니다.

감지기에 대한 요구 사항

현대의 입자 탐지기는 때때로 디지털 카메라의 "빅 브라더스"로 불립니다. 그러나 카메라와 감지기의 작동 조건은 근본적으로 다르다는 것을 기억할 가치가 있습니다.

우선, 검출기의 모든 요소는 다음과 같아야 합니다. 매우 빠르게매우 정확하게 서로 동기화됩니다. Large Hadron Collider에서 최대 성능에서 덩어리는 초당 4천만 번 충돌합니다. 충돌할 때마다 입자가 생성되어 검출기에 "그림"이 남게 되며 검출기는 이 "이미지" 스트림에서 "질식"되어서는 안 됩니다. 결과적으로 25나노초 안에 날아다니는 입자가 남긴 모든 이온화를 수집하고 이를 전기 신호로 변환하고 감지기를 청소하여 다음 입자 부분을 준비해야 합니다. 25나노초 안에 입자는 7.5미터만 날아가는데, 이는 대형 감지기의 크기와 비슷합니다. 통과하는 입자의 이온화가 감지기의 외부 레이어에 모이는 동안 다음 충돌의 입자는 이미 내부 레이어를 통해 날아가고 있습니다!

감지기에 대한 두 번째 핵심 요구 사항은 다음과 같습니다. 내방사선성. 뭉치의 충돌 장소에서 날아가는 기본 입자는 실제 복사이며 매우 단단합니다. 예를 들어, 정점 탐지기가 작동 중에 받게 될 이온화 방사선의 예상 흡수 선량은 300 킬로그레이에 5·10 14 중성자/cm 2 의 총 중성자 플럭스를 더한 것입니다. 이러한 조건에서 감지기는 몇 년 동안 작동해야 하며 여전히 사용할 수 있어야 합니다. 이것은 감지기 자체의 재료뿐만 아니라 감지기에 채워진 전자 장치에도 적용됩니다. 이러한 가혹한 복사 조건에서 작동하는 내결함성 전자 장치를 만들고 테스트하는 데 몇 년이 걸렸습니다.

전자 제품에 대한 또 다른 요구 사항 - 저전력 출력. 멀티 미터 감지기 내부에는 여유 공간이 없습니다. 부피의 모든 입방 센티미터는 유용한 장비로 채워져 있습니다. 냉각 시스템은 필연적으로 감지기의 작업량을 제거합니다. 결국 입자가 냉각 튜브를 통해 바로 날아가면 단순히 등록되지 않습니다. 따라서 전자 장치(검출기의 모든 구성 요소에서 정보를 가져오는 수십만 개의 별도 보드 및 와이어)에서 방출되는 에너지는 최소화되어야 합니다.

추가 문헌:

K. 그루펜. "기본 입자 탐지기" // 시베리아 크로노그래프, 노보시비르스크, 1999년.
입자 검출기(PDF, 1.8Mb).
입자 감지기 // 챕터 학습 가이드 B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. “입자와 핵. 실험". M.: 2005년 모스크바 주립 대학 출판사.
N. M. Nikityuk. 정밀 microapex 감지기(PDF, 2.9Mb) // ECHAYA, vol.28, no. 1, pp. 191–242(1997).

에서 ch. XXIII 우리는 구름 챔버, 섬광 계수기, 가스 방출 계수기와 같은 미세 입자를 감지하는 데 사용되는 장치에 대해 알게 되었습니다. 이러한 검출기는 소립자 연구에 사용되지만 항상 편리한 것은 아닙니다. 사실 소립자의 상호 변형을 수반하는 가장 흥미로운 상호 작용 과정은 매우 드물게 발생합니다. 흥미로운 충돌이 발생하려면 입자가 이동하는 도중에 많은 핵자 또는 전자를 만나야 합니다. 실제로 밀도가 높은 물질에서 수십 센티미터 - 미터로 측정 된 경로를 통과해야합니다 (이러한 경로에서 수십억 전자 볼트의 에너지를 가진 하전 입자는 이온화로 인해 에너지의 일부만 잃습니다).

그러나 클라우드 챔버나 가스 배출 카운터에서 민감한 층(밀도가 높은 물질의 관점에서)은 매우 얇습니다. 이와 관련하여 입자를 감지하는 몇 가지 다른 방법이 적용되었습니다.

사진 방법은 매우 유익한 것으로 판명되었습니다. 특수 미세 입자 사진 유제에서 유제를 가로지르는 각 하전 입자는 흔적을 남깁니다. 이 흔적은 판을 현상한 후 현미경으로 검은 입자 사슬 형태로 감지됩니다. 사진 유제에서 입자가 남긴 흔적의 특성에 따라 이 입자의 특성(전하, 질량 및 에너지)을 결정할 수 있습니다. 사진 방식은 두꺼운 재료를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 사진판에서는 구름 챔버와 달리 입자가 통과한 직후에 하전 입자의 흔적이 사라지지 않기 때문에 편리합니다. 희귀 사건을 연구할 때 기록이 노출될 수 있습니다. 장기; 이것은 우주선 연구에서 특히 유용합니다. 사진 유제에서 포착된 드문 현상의 예는 위의 그림 1에 나와 있습니다. 414, 415; 그림이 특히 흥미롭습니다. 418.

또 다른 주목할만한 방법은 과열된 액체의 속성을 사용하는 것입니다(Ivolume I, § 299 참조). 매우 순수한 액체가 끓는점보다 약간 높은 온도까지 가열되면 표면 장력이 증기 기포의 형성을 방지하기 때문에 액체가 끓지 않습니다. 미국 물리학자 Donald Glaeser(b. 1926)는 1952년에 과열된 액체가 충분히 강렬하게 조사되면 즉시 끓는다고 언급했습니다. 방사선에 의해 액체에서 생성된 빠른 전자의 흔적에서 방출되는 추가 에너지는 기포 형성을 위한 조건을 제공합니다.

이 현상을 바탕으로 Glaeser는 소위 액체 기포 챔버를 개발했습니다. 액체 고혈압끓는점에 가깝지만 그보다 낮은 온도로 가열됩니다. 그런 다음 압력과 끓는점이 낮아지고 액체가 과열됩니다. 이 순간 액체를 가로지르는 하전 입자의 궤적을 따라 증기 기포의 흔적이 형성됩니다. 적절한 조명으로 카메라로 포착할 수 있습니다. 일반적으로 버블 챔버는 강한 전자석의 극 사이에 위치하며 자기장은 입자 궤적을 구부립니다. 입자 트랙의 길이, 곡률 반경 및 기포 밀도를 측정하여 입자의 특성을 설정할 수 있습니다. 이제 버블 챔버는 높은 수준의 완성도에 도달했습니다. 예를 들어 액체 수소로 채워진 챔버와 몇 입방 미터의 민감한 부피로 작업하십시오. 기포 챔버의 미량 입자 사진의 예가 그림 1에 나와 있습니다. 416, 417, 419, 420.

쌀. 418. 우주선으로 조사된 사진 유제 더미에 기록된 입자의 변형. 한 지점에서, 보이지 않는 빠른 중성 입자가 에멀젼 핵 중 하나를 쪼개고 중간자(21개 트랙의 "별")를 형성했습니다. 중간자 중 하나인 -중간자는 경로를 따라 이동했으며(사진에는 흔적의 시작과 끝만 표시됩니다. 사진에 사용된 배율로 전체 흔적의 길이는 )에서 멈췄습니다. 점과 계획에 따라 부패 . -자취가 아래쪽으로 향하는 중간자(meson)가 그 지점에서 핵에 포착되어 분열을 일으켰다. 분열의 파편 중 하나는 핵으로 붕괴에 의해 핵으로 바뀌고 반대 방향으로 날아가는 두 개의 입자로 즉시 분해됩니다. 그림에서 그들은 "망치"를 형성합니다. -중간자는 멈춘 후 -muon(및 중성미자)(점)으로 변했습니다. -muon 추적의 끝은 오른쪽에 표시됩니다. 상단 모서리그림; 붕괴 동안 형성된 양전자의 흔적이 보입니다.

쌀. 419. -하이퍼론의 형성과 붕괴. 자기장의 수소 기포 챔버에서 반양성자 조사, 반응 . 트레일의 끝 지점에서 발생했습니다(그림 상단의 다이어그램 참조). 흔적을 형성하지 않고 짧은 거리를 날아간 중성 람다 및 안티 람다 하이퍼론은 계획에 따라 붕괴됩니다. 반양성자는 양성자와 함께 소멸되어 양성자에 2개 및 2개의 중간자 양자를 형성합니다. 양성자는 하지 않는다 가시적 인 흔적, 질량이 크기 때문에 -quantum과 상호 작용할 때 충분한 에너지를 받지 못하기 때문입니다.