Dalelių detektoriai. Fizikiniai elementariųjų dalelių aptikimo principai

„Tikri“ dalelių detektoriai, tokie kaip Didysis hadronų greitintuvas, kainuoja milijonus dolerių ir sveria šimtus tonų, bet mes pasistengsime išsiversti su daug kuklesniu biudžetu.

Mums reikės:

sauso ledo (apie 80 rublių už kilogramą, dar už 300 rublių patartina pirkti putplasčio termo indą – kitaip viskas, ką pirkote, per greitai išgaruos). Daug sauso ledo nereikia, užtenka kilogramo;
izopropilo alkoholis (kainuoja 370 rublių už 0,5 litro, parduodamas radijo aparatūros parduotuvėse);
veltinio gabalas (siuvykla, apie 150 rublių);
klijai veltiniui priklijuoti prie talpyklos dugno („Moment“, 150 rublių);
permatomas indas, pavyzdžiui, plastikinis akvariumas su dangteliu (nusipirkome kieto plastiko maisto indą už 1,5 tūkst. rublių);
stovas sausam ledui, tai gali būti fotografinė kiuvetė (rasti redakcijos virtuvėje);
žibintuvėlis.

Taigi pradėkime. Pirmiausia ant indo dugno reikia priklijuoti gabalėlį veltinio ir palaukti kelias valandas, kol klijai išdžius. Po to veltinį reikia pamirkyti izopropilo alkoholyje (įsitikinkite, kad alkoholio nepatektų į akis!). Pageidautina, kad veltinys būtų visiškai prisotintas alkoholio, o likusi dalis turi būti nusausinta. Tada ant kiuvetės dugno užpilkite sauso ledo, uždarykite indą dangteliu ir padėkite į sausą ledą dangteliu žemyn. Dabar reikia palaukti, kol kameros viduje esantis oras bus prisotintas alkoholio garų.

Debesų kameros (dar žinomos kaip „rūko kamera“) veikimo principas yra tas, kad net labai silpnas smūgis priverčia kondensuotis prisotintus alkoholio garus. Dėl to net dėl kosminių dalelių poveikio garai kondensuojasi, o kameroje susidaro mikroskopinių lašelių grandinės – takeliai.

Eksperimentą galite pamatyti mūsų vaizdo įraše:

Keletas pastabų iš patirties: nereikėtų pirkti per daug sauso ledo – net jų terminiame inde jis visiškai išgaruos greičiau nei per dieną, o pramoninio šaldytuvo vargu ar rasite. Būtina, kad permatomo indo dangtelis būtų juodas, pavyzdžiui, galite uždaryti iš apačios juodu stiklu. Juodame fone takeliai bus geriau matomi. Reikia žiūrėti tiksliai į konteinerio dugną, kur susidaro būdingas rūkas, panašus į šlapdribą. Būtent šiame rūke atsiranda dalelių pėdsakai.

Kokius takelius galima pamatyti:

Tai nėra kosminės dalelės. Trumpi ir stori pėdsakai – tai radioaktyviųjų dujų radono atomų skleidžiami alfa dalelių pėdsakai, kurie nuolat skverbiasi iš Žemės gelmių (ir kaupiasi nevėdinamose patalpose).

Ilgus siaurus takelius palieka miuonai, sunkūs (ir trumpaamžiai) elektronų giminaičiai. Jų gimsta daugybė viršutiniai sluoksniai atmosferoje, kai didelės energijos dalelės susiduria su atomais ir sukelia ištisus dalelių lietus, daugiausia susidedančius iš miuonų.

Kreivosios trajektorijos yra elektronų arba jų antidalelių, pozitronų, ženklas. Juos taip pat generuoja kosminiai spinduliai, jie susiduria su oro molekulėmis ir gali judėti zigzagais.

Jei matėte, kad takeliai išsišakoja, vadinasi, jums pasisekė: matėte vienos dalelės skilimą į dvi.

Patiko? Prenumeruokite N+1 adresu

Balandžio 29 d., vėlai vakare (kol kas perkelta), NASA į orbitą paleidžia Cern detektorių elementariosios dalelės AMS-02. Šis detektorius buvo kuriamas 10 metų, jo vyresni „broliai“ jau su jėgomis dirba prie Didžiojo hadronų greitintuvo, tai yra po žeme, o šis skris į kosmosą! :)

Čia yra Cern pranešimas spaudai, čia yra tiesioginė paleidimo transliacija, prasidedanti 21:30 CET, cern twitter taip pat atsiųs ataskaitas. Paleidimą ir visus vėlesnius darbus galima stebėti eksperimento svetainėje. Tuo tarpu trumpai pakalbėsiu apie įrenginį ir mokslines užduotis.

AMS-02 yra tikras elementariųjų dalelių detektorius su (beveik) visomis jo savybėmis. Jo dydis – 4 metrai, svoris – 8,5 tonos. Žinoma, jo negalima lyginti su tokiu kolosu kaip ATLAS, tačiau paleidimui į kosmosą (ir įrengimui TKS) to neužtenka.

Jei požeminiai detektoriai registruoja daleles, gimusias žmogaus sukelto protonų ir kitų dalelių susidūrimo metu, tai AMS-02 registruos kosminius spindulius – labai didelės energijos daleles, kurios pas mus atkeliauja iš gilios erdvės, pasklidusios ant „natūralių greitintuvų“. Kosminiai spinduliai, žinoma, buvo tyrinėjami ilgą laiką, beveik šimtmetį, tačiau su jais vis dar siejama daugybė paslapčių.

Svarbiausia naujojo detektoriaus užduotis – itin tiksliai išmatuoti kosminių spindulių sudėtį. Kokia antimedžiagos dalis kosminiuose spinduliuose? Kaip tai keičiasi su energija? Ar yra kokių nors naujų sunkiųjų stabilių dalelių (tamsiosios medžiagos dalelių) nedideliais kiekiais, kurios negali atsirasti susidūrimo įrenginiuose, bet kurias Visata sugebėjo sukelti? O gal kai kurie subtilūs įprastų dalelių energijos spektro ypatumai parodys, kad jos susidarė irstant iki šiol nežinomoms itin sunkioms dalelėms?

AMS-02 tirs šias problemas registruodamas kosminių spindulių dalelių prasiskverbimą per detektoriaus medžiagą ir matuodamas jų impulsą, greitį, energijos išsiskyrimą ir krūvį. Optimalaus detektoriaus jautrumo „langas“ dalelių energijos atžvilgiu yra nuo maždaug 1 GeV iki kelių TeV. Šis langas apima daugelio modelių prognozes ir taip pat sutampa su LHC detektorių jautrumo langais. Tačiau skirtingai nei Didysis hadronų greitintuvas, čia pati visata veikia kaip greitintuvas, ir tai gali turėti toli siekiančių pasekmių.

Subdetektoriai ir posistemės AMS-02 ().

Kaip ir klasikiniuose antžeminiuose (tiksliau požeminiuose) detektoriuose, jame vienu metu yra kelios atskiros aptikimo sistemos, matuojančios skirtingos savybės dalelės. Tik skirtingai nei jie, AMS-02 neperžiūri, o „žiūri“; tai labiau atrodo kaip vienas pažangaus šiuolaikinio detektoriaus segmentas.

Prietaisas trumpai aprašytas eksperimento vietoje. Taip pat yra trajektoriją atkuriantys takelių detektoriai, dalelių greitį matuojantys Čerenkovo detektoriai, dalelių energiją matuojantys elektromagnetiniai kalorimetrai ir kitos sistemos. Du skirtingi magnetai iš karto atskirs skirtingus krūvius (melavau). Atskirs mokesčius nuolatinis magnetas 0,125 Tesla neodimio lydinys. O be to, AMS-02 turi tai, ko neturi požeminiai detektoriai - GPS jutiklius ir žvaigždžių sekimo sistemą :)

Visa tai buvo statoma 10 metų, kaina apie 1,5 gigadolerio. AMS bendradarbiauja 56 institucijos iš 16 šalių.

Svarbiausia, kad dabar šis daiktas sėkmingai išskrido. Rytoj vakare stebėsime startą!

Per mūsų kūną kas sekundę praskrenda dešimtys tūkstančių elementariųjų dalelių iš kosmoso – miuonų, elektronų, neutrinų ir pan. Mes jų nejaučiame ir nematome, bet tai nereiškia, kad jų nėra. Tai nereiškia, kad jų negalima pataisyti. Siūlome skaitytojams N+1 savo rankomis surinkti įrenginį, kuris leis „pamatyti“ šį nenutrūkstamą kosminį lietų.

„Tikri“ dalelių detektoriai, tokie kaip Didysis hadronų greitintuvas, kainuoja milijonus dolerių ir sveria šimtus tonų, bet mes pasistengsime išsiversti su daug kuklesniu biudžetu.

Mums reikės:

sauso ledo (apie 80 rublių už kilogramą, dar už 300 rublių patartina pirkti putplasčio termo indą – kitaip viskas, ką pirkote, per greitai išgaruos). Daug sauso ledo nereikia, užtenka kilogramo;
izopropilo alkoholis (kainuoja 370 rublių už 0,5 litro, parduodamas radijo aparatūros parduotuvėse);
veltinio gabalas (siuvykla, apie 150 rublių);
klijai veltiniui priklijuoti prie talpyklos dugno („Moment“, 150 rublių);
permatomas indas, pavyzdžiui, plastikinis akvariumas su dangteliu (nusipirkome kieto plastiko maisto indą už 1,5 tūkst. rublių);
stovas sausam ledui, tai gali būti fotografinė kiuvetė (rasti redakcijos virtuvėje);
žibintuvėlis.

Eksperimentą galite pamatyti mūsų vaizdo įraše:

Kokius takelius galima pamatyti:

Simetrijos žurnalas

Ilgus siaurus takelius palieka miuonai, sunkūs (ir trumpaamžiai) elektronų giminaičiai. Jų gausu viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, kai didelės energijos dalelės susiduria su atomais ir sukuria ištisus dalelių lietus, daugiausia miuonus.

Kaip ir bet kuriame fizinis eksperimentas, tiriant elementarias daleles, pirmiausia reikia įdėti eksperimentuoti ir tada Registruotis jo rezultatai. Greitintuvas užsiima eksperimento nustatymu (dalelių susidūrimas), o susidūrimų rezultatai tiriami naudojant elementariųjų dalelių detektoriai.

Norint atkurti susidūrimo vaizdą, reikia ne tik išsiaiškinti, kurios dalelės gimė, bet ir labai tiksliai išmatuoti jų charakteristikas, pirmiausia trajektoriją, impulsą ir energiją. Visa tai matuojama naudojant skirtingų tipų detektorius, kurie dalelių susidūrimo vietą supa koncentriniais sluoksniais.

Elementariųjų dalelių detektorius galima suskirstyti į dvi grupes: takelių detektoriai, kurios matuoja dalelių trajektoriją, ir kalorimetrai kurie matuoja jų energiją. Trasos detektoriai bando sekti dalelių judėjimą nesukeldami jokių iškraipymų. Kita vertus, kalorimetrai turi visiškai sugerti dalelę, kad galėtų išmatuoti jos energiją. Dėl to atsiranda standartinis šiuolaikinio detektoriaus išdėstymas: viduje yra keli takelių detektorių sluoksniai, o išorėje - keli sluoksniai kalorimetrų, taip pat specialūs. miuonų detektoriai. Bendra forma tipiškas šiuolaikinis detektorius parodytas pav. vienas.

Žemiau trumpai aprašyta pagrindinių šiuolaikinių detektorių komponentų struktūra ir veikimo principas. Pagrindinis dėmesys skiriamas kai kuriems iš labiausiai Bendri principai aptikimas. Norėdami sužinoti apie konkrečius detektorius, veikiančius dideliame hadronų greitintuve, žr. LHC detektoriai.

Trasos detektoriai

Bėgių detektoriai atkuria dalelės trajektoriją. Paprastai jie yra magnetinio lauko srityje, o tada dalelės impulsą galima nustatyti pagal dalelės trajektorijos kreivumą.

Bėgių detektorių darbas pagrįstas tuo, kad praeinanti įkrauta dalelė sukuria jonizacijos pėdsaką – tai yra, išmuša elektronus iš savo kelyje esančių atomų. Šiuo atveju jonizacijos intensyvumas priklauso ir nuo dalelės tipo, ir nuo detektoriaus medžiagos. Laisvuosius elektronus surenka elektronika, kurios signalas praneša dalelių koordinates.

Viršūnių detektorius

viršūnė(mikrovertex, pikselis) detektorius- Tai daugiasluoksnis puslaidininkinis detektorius, susidedantis iš atskirų plonų plokščių, ant kurių tiesiai nusodinta elektronika. Tai yra pats vidinis detektorių sluoksnis: dažniausiai jis prasideda iš karto už vakuuminio vamzdžio (kartais pirmasis sluoksnis montuojamas tiesiai ant išorinės vakuuminio vamzdžio sienelės) ir užima pirmuosius kelis centimetrus radialine kryptimi. Silicis dažniausiai pasirenkamas kaip puslaidininkinė medžiaga dėl didelio atsparumo radiacijai (vidiniai detektoriaus sluoksniai yra veikiami didžiulėmis kietosios spinduliuotės dozėmis).

Iš esmės viršūnių detektorius veikia taip pat, kaip skaitmeninės kameros jutiklis. Kai įkrauta dalelė praskrieja per šią plokštelę, ji palieka joje pėdsaką – kelių dešimčių mikronų dydžio jonizacijos debesį. Šią jonizaciją nuskaito elektroninis elementas tiesiai po pikseliu. Žinant dalelės susikirtimo taškų koordinates su keliomis iš eilės pikselių detektoriaus plokštelėmis, galima rekonstruoti trimates dalelių trajektorijas ir atsekti jas atgal vamzdžio viduje. Per tokių rekonstruotų trajektorijų susikirtimą tam tikrame erdvės taške, viršūnė- taškas, kuriame šios dalelės gimė.

Kartais paaiškėja, kad tokių viršūnių yra kelios, ir viena iš jų dažniausiai guli tiesiai ant besiliečiančių sijų susidūrimo ašies (pirminė viršūnė), o antroji – per atstumą. Paprastai tai reiškia, kad protonai susidūrė pirminėje viršūnėje ir iš karto sukėlė kelias daleles, tačiau kai kurios iš jų sugebėjo nuskristi tam tikrą atstumą, kol subyrėjo į vaikų daleles.

Šiuolaikiniuose detektoriuose viršūnių atkūrimo tikslumas siekia 10 mikronų. Tai leidžia patikimai registruoti atvejus, kai antrinės viršūnės yra 100 mikronų atstumu nuo susidūrimo ašies. Kaip tik tokiais atstumais atskrenda įvairūs metastabilūs hadronai, kurių sudėtyje yra c arba b kvarkas (vadinamieji „užburtieji“ ir „žavieji“ hadronai). Todėl viršūnių detektorius yra esminis įrankis detektorius LHCb, kurio pagrindinė užduotis bus tirti šiuos hadronus.

Puslaidininkiai veikia panašiu principu. mikrojuostos detektoriai, kuriame vietoj mažų pikselių naudojamos ploniausios, bet gana ilgos jautrios medžiagos juostelės. Juose jonizacija nenustovi iš karto, o pasislenka išilgai juostos ir nuskaitoma jos gale. Juostos suprojektuotos taip, kad įkrovos debesies poslinkio greitis išilgai jo būtų pastovus ir kad jis nesiliestų. Todėl žinant momentą, kada krūvis ateina į skaitymo elementą, galima apskaičiuoti taško, kuriame įkrauta dalelė pramušė juostelę, koordinates. Mikrojuostelių detektorių erdvinė skiriamoji geba yra prastesnė nei pikselių detektorių, tačiau jie gali apimti daug daugiau apie didelis plotas, nes jiems tokio nereikia didelis skaičius skaitymo elementai.

Drifto kameros

Drifto kameros- Tai yra dujomis užpildytos kameros, kurios yra už puslaidininkinių takelių detektorių, kur radiacijos lygis yra santykinai žemas ir nereikia tokio didelio tikslumo padėties nustatymo, kaip su puslaidininkinių detektorių.

Klasikinė dreifo kamera – tai dujomis užpildytas vamzdis, kurio viduje ištempta daug labai plonų laidų. Jis veikia kaip viršūnių detektorius, bet ne ant plokščios plokštės, o pagal tūrį. Visi laidai yra įtempti, o jų išdėstymas parenkamas taip, kad būtų vienodas elektrinis laukas. Kai įkrauta dalelė praskrenda per dujų kamerą, ji palieka erdvinį jonizacijos pėdsaką. Esant įtakai elektrinis laukas jonizacija (pirmiausia elektronai) juda pastoviu greičiu (fizikai sako „dreifuoja“) lauko linijomis link anodo laidų. Pasiekusi kameros kraštą, jonizaciją iš karto sugeria elektronika, kuri perduoda signalo impulsą į išėjimą. Kadangi skaitymo elementų yra daug, iš jų gaunamais signalais galima labai tiksliai atkurti pravažiuojančios dalelės koordinates, taigi ir trajektoriją.

Paprastai susidaro jonizacijos kiekis dujų kamera praleidžianti dalelė yra maža. Norint padidinti krūvio surinkimo ir registravimo patikimumą bei sumažinti jo matavimo paklaidą, signalą būtina sustiprinti dar prieš jį užregistruojant elektronikai. Tai atliekama naudojant specialų anodo ir katodo laidų tinklą, ištemptą šalia skaitymo įrangos. Praeidamas šalia anodo laido, elektronų debesis ant jo sukuria laviną, dėl kurios elektroninis signalas padaugėja.

Kuo stipresnis magnetinis laukas ir didesni paties detektoriaus matmenys, tuo stipriau dalelių trajektorija nukrypsta nuo tiesios linijos, o tai reiškia, kad tuo patikimiau galima išmatuoti jos kreivės spindulį ir iš to atkurti dalelės impulsą. Todėl norint ištirti reakcijas su labai didelės energijos dalelėmis, šimtais GeV ir TeV, pageidautina sukurti didesnius detektorius ir naudoti magnetiniai laukai stipresnis. Dėl grynai inžinerinių priežasčių paprastai galima padidinti tik vieną iš šių verčių kitos sąskaita. Du didžiausi LHC detektoriai - ATLAS ir CMS - skiriasi tik tuo, kuri iš šių verčių yra optimizuota. Prie ATLAS detektoriaus didesni dydžiai, bet mažesnis laukas, tuo tarpu CMS detektorius turi stipresnį lauką, bet apskritai yra kompaktiškesnis.

Laiko projekcijos kamera

Ypatingas dreifo kameros tipas yra vadinamasis laiko projekcijos kamera(VPK). Tiesą sakant, VPK yra viena didelė, kelių metrų dydžio, cilindrinė dreifuojanti kamera. Visame tūryje išilgai cilindro ašies sukuriamas vienodas elektrinis laukas. Visas sūkurinis jonizacijos takas, kurį dalelės palieka skrisdamos per šią kamerą, tolygiai dreifuoja iki cilindro galų, išlaikydamos savo erdvinę formą. Trajektorijos yra tarsi „projektuojamos“ į kameros galus, kur didelis skaitymo elementų masyvas registruoja įkrovos atvykimą. Radialinės ir kampinės koordinatės nustatomos pagal jutiklio numerį, o koordinatės išilgai cilindro ašies – pagal signalo atvykimo laiką. Dėl to galima atkurti trimatį dalelių judėjimo vaizdą.

Tarp eksperimentų, vykdomų LHC, ALICE detektorius naudoja laiko projekcijos kamerą.

„Roman Pots“ detektoriai

Yra specialus puslaidininkinių pikselių detektorių tipas, kuris veikia tiesiogiai vakuuminio vamzdžio viduje, arti spindulio. Pirmą kartą juos aštuntajame dešimtmetyje pasiūlė tyrimų grupė iš Romos ir nuo tada tapo žinomi kaip Romėniški puodai(„romėnų puodai“).

„Roman Pots“ detektoriai buvo skirti aptikti daleles, kurios susidūrimo metu nukrypsta labai mažais kampais. Įprasti detektoriai, esantys už vakuuminio vamzdžio, čia netinka vien dėl to, kad labai mažu kampu skleidžiama dalelė vakuuminio vamzdžio viduje gali skristi daugybę kilometrų, apsisukdama kartu su pagrindiniu spinduliu ir nepabėgdama. Norint registruoti tokias daleles, vakuuminio vamzdžio viduje skersai pluošto ašies reikia įdėti nedidelius detektorius, tačiau neliečiant paties pluošto.

Norėdami tai padaryti, tam tikroje greitėjimo žiedo atkarpoje, dažniausiai šimtų metrų atstumu nuo besiliečiančių sijų susidūrimo taško, įkišama speciali vakuuminio vamzdžio sekcija su skersinėmis „rankovėmis“. Juose mobiliose platformose patalpinti nedideli, kelių centimetrų dydžio pikselių detektoriai. Kai spindulys tik įpurškiamas, jis vis dar nestabilus ir didelis skersinės vibracijos. Šiuo metu detektoriai yra paslėpti rankovių viduje, kad būtų išvengta žalos dėl tiesioginio spindulio smūgio. Spinduliui stabilizavus, platformos pajuda iš rankų ir perkelia jautrias Roman Pots detektorių matricas arti spindulio, 1-2 milimetrų atstumu. Pasibaigus kitam akceleratoriaus ciklui, prieš nuleidžiant seną spindulį ir įleidžiant naują, detektoriai vėl sutraukiami į rankas ir laukiama kito veikimo seanso.

„Roman Pots“ naudojami pikselių detektoriai skiriasi nuo įprastų viršūnių detektorių tuo, kad jie maksimaliai padidina plokštelės paviršiaus dalį, kurią užima jutikliniai elementai. Visų pirma, plokštės krašte, kuris yra arčiausiai sijos, praktiškai nėra nejautrios „negyvos“ zonos ( "be krašto"– technologija).

Viename iš didelio hadronų greitintuvo TOTEM eksperimentų bus naudojami keli iš šių detektorių. Vykdomi dar keli panašūs projektai. LHCb eksperimento viršūnių detektorius taip pat turi kai kuriuos šios technologijos elementus.

Daugiau apie šiuos detektorius galite perskaityti CERN Courier straipsnyje Roman pots for the LHC arba techninėje TOTEM eksperimento dokumentacijoje.

Kalorimetrai

Kalorimetrai matuoja elementariųjų dalelių energiją. Norėdami tai padaryti, padėkite ant dalelių kelio storas sluoksnis tanki medžiaga (dažniausiai sunkusis metalas – švinas, geležis, žalvaris). Jame esanti dalelė susiduria su elektronais arba atomo branduoliais ir dėl to sukuria antrinių dalelių srautą - dušas. Pradinės dalelės energija paskirstoma tarp visų dušo dalelių, todėl kiekvienos atskiros dalelės energija šiame duše tampa maža. Dėl to dušas įstringa medžiagos storyje, jos dalelės sugeriamos ir sunaikinamos, o tam tikra, gana apibrėžta, dalis energijos išsiskiria šviesos pavidalu. Šį šviesos blyksnį kalorimetro galuose surenka fotodaugintuvai, kurie paverčia jį elektriniu impulsu. Be to, dušo energiją galima išmatuoti renkant jonizaciją jautriomis plokštelėmis.

Elektronai ir fotonai, eidami per materiją, daugiausia susiduria su elektronų apvalkalai atomų ir generuoti elektromagnetinį dušą – daugybės elektronų, pozitronų ir fotonų srautą. Tokie lietūs sparčiai vystosi nedideliame gylyje ir dažniausiai susigeria į kelių dešimčių centimetrų storio medžiagos sluoksnį. Didelės energijos hadronai (protonai, neutronai, pi-mezonai ir K-mezonai) praranda energiją daugiausia dėl susidūrimų su branduoliais. Tokiu atveju susidaro hadroninis dušas, kuris prasiskverbia daug giliau į materijos storį nei elektromagnetinis, be to, yra platesnis. Todėl norint visiškai sugerti hadroninį dušą iš labai didelės energijos dalelės, reikia vieno ar dviejų metrų medžiagos.

Šiuolaikiniuose detektoriuose maksimaliai išnaudojamas skirtumas tarp elektromagnetinių ir hadroninių dušų charakteristikų. Kalorimetrai dažnai gaminami dviejų sluoksnių: viduje yra elektromagnetiniai kalorimetrai, kuriame daugiausia sugeria elektromagnetiniai dušai, o lauke - hadronų kalorimetrai, kuriuos „pasiekia“ tik hadronų lietus. Taigi kalorimetrai ne tik matuoja energiją, bet ir nustato „energijos rūšį“ – ar ji elektromagnetinės, ar hadroninės kilmės. Tai labai svarbu, kad teisingas supratimasįvyko protonų susidūrimo detektoriaus centre.

Norint registruoti dušą optinėmis priemonėmis, kalorimetro medžiaga turi turėti scintiliacinių savybių. AT scintiliatorius vieno bangos ilgio fotonai absorbuojami labai efektyviai, todėl medžiagos molekulės sužadinamos, o šis sužadinimas pašalinamas išspinduliuojant mažesnės energijos fotonus. Išspinduliuojantiems fotonams scintiliatorius jau yra skaidrus, todėl jie gali pasiekti kalorimetrinės ląstelės kraštą. Kalorimetrai naudoja standartinius, ilgai tyrinėtus scintiliatorius, kuriems gerai žinoma, kokia pradinės dalelės energijos dalis paverčiama optine blykste.

Norint efektyviai sugerti dušą, būtina naudoti kuo tankesnę medžiagą. Yra du būdai, kaip suderinti šį reikalavimą su reikalavimais scintiliatoriams. Pirma, galima pasirinkti labai sunkius scintiliatorius ir jais užpildyti kalorimetrą. Antra, galima padaryti „pūtimą“ iš kintamų sunkios medžiagos ir lengvo scintiliatoriaus plokštelių. Yra ir egzotiškesnių kalorimetro dizaino variantų, pavyzdžiui, „spagečių“ kalorimetrai, kuriuose daug plonų kvarco pluoštų įkomponuota į masyvią sugeriančią matricą. Dušas, besivystantis palei tokį kalorimetrą, sukuria kvarce Čerenkovo šviesą, kuri išvedamas per skaidulas iki kalorimetro galo.

Kalorimetre esančios dalelės energijos atkūrimo tikslumas gerėja didėjant energijai. Dalelių, kurių energija siekia šimtus GeV, elektromagnetinių kalorimetrų paklaida siekia apie procentą, o hadroninių – kelis procentus.

Miuono kameros

Būdingas miuonų bruožas yra tai, kad judėdami materijoje jie labai lėtai praranda energiją. Taip yra dėl to, kad, viena vertus, jie yra labai sunkūs, todėl susidūrimo metu negali efektyviai perduoti energijos elektronams, antra, jie nedalyvauja stiprioje sąveikoje, todėl yra silpnai išsklaidomi branduolių. Dėl to miuonai prieš sustodami gali nuskristi daugybę metrų medžiagos, prasiskverbdami ten, kur nepasiekia jokios kitos dalelės.

Tai, viena vertus, neleidžia išmatuoti miuonų energijos naudojant kalorimetrus (juk miuonas negali būti visiškai absorbuojamas), tačiau, kita vertus, tai leidžia gerai atskirti miuonus nuo kitų dalelių. Šiuolaikiniuose detektoriuose miuonų kameros esančios atokiausiuose detektoriaus sluoksniuose, dažnai net už masyvaus metalinio jungo, sukuriančio magnetinį lauką detektoriuje. Tokie vamzdeliai matuoja ne energiją, o miuonų impulsą, ir tuo pačiu galima neabejotinai daryti prielaidą, kad šios dalelės yra būtent miuonai, o ne kas kita. Yra keletas miuonų kamerų tipų, naudojamų įvairiems tikslams.

Dalelių identifikavimas

Atskiras klausimas yra dalelių identifikavimas, tai yra išsiaiškinti, kokia dalelė praskriejo pro detektorių. Tai nebūtų sunku, jei žinotume dalelės masę, tačiau kaip tik to dažniausiai nežinome. Viena vertus, masę iš principo galima apskaičiuoti naudojant reliatyvistinės kinematikos formules, žinant dalelės energiją ir impulsą, bet, deja, jų matavimo paklaidos dažniausiai būna tokios didelės, kad neleidžia atskirti pvz. , pi-mezonas iš miuono dėl jų artumo wt.

Esant tokiai situacijai, yra keturi pagrindiniai dalelių identifikavimo būdai:

Autorius atsakymą in skirtingi tipai kalorimetrai ir miuoniniai vamzdeliai.
Autorius energijos išleidimas bėgių detektoriuose. Įvairios dalelės sukuria skirtingą jonizacijos kiekį viename kelio centimetre, ir tai gali būti išmatuota pagal signalo stiprumą iš bėgių detektorių.
Per Čerenkovas skaito. Jei dalelė praskrenda per skaidrią medžiagą, kurios lūžio rodiklis n greičiu, didesniu už šviesos greitį toje medžiagoje (ty didesniu nei c/n), tada skleidžia Čerenkovo spinduliuotę griežtai apibrėžtomis kryptimis. Jei kaip detektoriaus medžiagą imsime aerogelį (tipinis lūžio rodiklis n= 1,03), tada Čerenkovo spinduliuotė iš dalelių, judančių 0,99 greičiu c ir 0,995 c, labai skirsis.
Per skrydžio laiko kameros. Juose labai didelės laiko skiriamosios gebos detektorių pagalba išmatuojamas dalelės skrydžio laikas tam tikroje kameros atkarpoje ir nuo to apskaičiuojamas jos greitis.

Kiekvienas iš šių metodų turi savo sunkumų ir klaidų, todėl dalelių identifikavimas paprastai nėra garantuotas. Kartais programa, skirta apdoroti „neapdorotus“ duomenis iš detektoriaus, gali padaryti išvadą, kad pro detektorių praskrido miuonas, nors iš tikrųjų tai buvo pionas. Visiškai atsikratyti tokių klaidų neįmanoma. Belieka tik atidžiai ištirti detektorių prieš pradedant eksploatuoti (pavyzdžiui, naudojant kosminius miuonus), išsiaiškinti neteisingo dalelių identifikavimo atvejų procentą ir visada atsižvelgti į tai apdorojant tikrus duomenis.

Reikalavimai detektoriams

Šiuolaikiniai dalelių detektoriai kartais vadinami skaitmeninių fotoaparatų „didžiaisiais broliais“. Tačiau verta atminti, kad kameros ir detektoriaus veikimo sąlygos iš esmės skiriasi.

Visų pirma, visi detektoriaus elementai turi būti labai greitai ir labai tiksliai sinchronizuojami vienas su kitu. Dideliame hadronų greitintuve, esant didžiausiam našumui, gumulėliai susidurs 40 milijonų kartų per sekundę. Kiekvieno susidūrimo metu gims dalelės, kurios paliks savo „vaizdą“ detektoriuje, o detektorius neturi „užspringti“ nuo šio „vaizdų“ srauto. Dėl to per 25 nanosekundes reikia surinkti visą skrendančių dalelių paliktą jonizaciją, paversti ją elektriniais signalais ir išvalyti detektorių, paruošiant jį kitai dalelių porcijai. Per 25 nanosekundes dalelės nuskrenda tik 7,5 metro, o tai prilygsta didelių detektorių dydžiui. Kol jonizacija iš praeinančių dalelių kaupiasi išoriniuose detektoriaus sluoksniuose, dalelės iš kito susidūrimo jau skrenda per jo vidinius sluoksnius!

Antrasis pagrindinis detektoriaus reikalavimas yra atsparumas radiacijai. Iš kekių susidūrimo vietos skrendančios elementarios dalelės yra tikra radiacija ir labai kieta. Pavyzdžiui, numatoma sugertoji jonizuojančiosios spinduliuotės dozė, kurią viršūnių detektorius gaus veikimo metu, yra 300 kilogramų plius bendras neutronų srautas 5,10 14 neutronų vienam cm 2 . Tokiomis sąlygomis detektorius turėtų veikti daugelį metų ir vis tiek išlikti tinkamas naudoti. Tai taikoma ne tik paties detektoriaus medžiagoms, bet ir elektronikai, kuria jis prikimštas. Prireikė kelerių metų, kad būtų sukurta ir išbandyta gedimams atspari elektronika, kuri veiktų tokiomis atšiauriomis spinduliuotės sąlygomis.

Kitas reikalavimas elektronikai - maža galia. Kelių metrų detektorių viduje nėra laisvos vietos – kiekvienas kubinis tūrio centimetras užpildytas naudinga įranga. Aušinimo sistema neišvengiamai atima darbinį detektoriaus tūrį – juk jei dalelė praskris tiesiai per aušinimo vamzdelį, ji tiesiog nebus registruojama. Todėl energijos išsiskyrimas iš elektronikos (šimtai tūkstančių atskirų plokščių ir laidų, kurie ima informaciją iš visų detektoriaus komponentų) turėtų būti minimalus.

Papildoma literatūra:

K. Groupen. „Elementarių dalelių detektoriai“ // Sibiro chronografas, Novosibirskas, 1999 m.
Dalelių detektoriai (PDF, 1,8 Mb).
Dalelių detektoriai // skyrius iš studijų vadovas B. S. Išhanovas, I. M. Kapitonovas, E. I. Kabinas. „Dalelės ir branduoliai. Eksperimentuokite". M.: Maskvos valstybinio universiteto leidykla, 2005 m.
N. M. Nikityukas. Tikslieji mikroapekso detektoriai (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, t. 28, Nr. 1, p. 191–242 (1997).

Sk. XXIII susipažinome su mikrodalelių aptikimo prietaisais - debesų kamera, scintiliacijos skaitikliu, dujų išlydžio skaitikliu. Nors šie detektoriai naudojami elementariųjų dalelių tyrimuose, jie ne visada yra patogūs. Faktas yra tas, kad įdomiausi sąveikos procesai, lydimi elementariųjų dalelių abipusių transformacijų, vyksta labai retai. Kad įvyktų įdomus susidūrimas, dalelė savo kelyje turi susitikti su daugybe nukleonų ar elektronų. Praktiškai jis turi eiti kelias dešimtimis centimetrų – metrais tankioje medžiagoje (tokiame kelyje įkrauta dalelė, kurios energija milijardai elektronų voltų, dėl jonizacijos praranda tik dalį savo energijos).

Tačiau debesų kameroje arba dujų išlydžio skaitiklyje jautrus sluoksnis (tankios medžiagos atžvilgiu) yra itin plonas. Šiuo atžvilgiu buvo taikomi kai kurie kiti dalelių aptikimo metodai.

Fotografavimo metodas pasirodė esąs labai vaisingas. Specialiose smulkiagrūdėse fotografinėse emulsijose kiekviena įkrauta dalelė, kertanti emulsiją, palieka pėdsaką, kuris, išryškinus plokštelę, mikroskopu aptinkamas juodų grūdelių grandinės pavidalu. Pagal dalelės pėdsakų pobūdį fotografinėje emulsijoje galima nustatyti šios dalelės pobūdį – jos krūvį, masę ir energiją. Fotografavimo būdas patogus ne tik dėl to, kad galima naudoti storas medžiagas, bet ir dėl to, kad fotografinėje plokštelėje, priešingai nei debesų kameroje, įkrautų dalelių pėdsakai neišnyksta greitai, kai dalelė praeina. Tiriant retus įvykius, gali būti atskleisti įrašai ilgas laikas; tai ypač naudinga kosminių spindulių tyrimuose. Retų įvykių, užfiksuotų fotografinėje emulsijoje, pavyzdžiai parodyti aukščiau, pav. 414, 415; Ypač įdomus pav. 418.

Kitas puikus metodas yra pagrįstas perkaitintų skysčių savybių panaudojimu (žr. I tomą, § 299). Kai labai grynas skystis kaitinamas iki temperatūros, net šiek tiek aukštesnės už virimo temperatūrą, skystis neužvirsta, nes paviršiaus įtempimas neleidžia susidaryti garų burbuliukams. Amerikiečių fizikas Donaldas Glaeseris (g. 1926 m.) 1952 metais pastebėjo, kad pakankamai intensyviai apšvitintas perkaitintas skystis akimirksniu užverda; papildoma energija, išsiskirianti greitųjų elektronų pėdsakais, kuriuos skystyje sukuria spinduliuotė, sudaro sąlygas susidaryti burbulams.

Remdamasis šiuo reiškiniu, Glaeseris sukūrė vadinamąją skysčio burbulų kamerą. Skystis ties aukštas kraujo spaudimas kaitinamas iki temperatūros, artimos virimo temperatūrai, bet žemesnės už ją. Tada sumažėja slėgis, o kartu ir virimo temperatūra, o skystis perkaista. Šiuo metu skystį kertančios įkrautos dalelės trajektorijoje susidaro garų burbuliukų pėdsakai. Esant tinkamam apšvietimui, jį galima užfiksuoti fotoaparatu. Paprastai burbulų kameros yra tarp stipraus elektromagneto polių, magnetinis laukas lenkia dalelių trajektorijas. Išmatavus dalelių takelio ilgį, jo kreivumo spindulį ir burbuliukų tankį, galima nustatyti dalelės charakteristikas. Dabar burbulų kameros pasiekė aukštą tobulumo lygį; darbas, pavyzdžiui, kameros, užpildytos skystu vandeniliu, kurių jautrus tūris yra keli kubiniai metrai. Dalelių pėdsakų nuotraukų burbulų kameroje pavyzdžiai parodyti fig. 416, 417, 419, 420.

Ryžiai. 418. Kosminiais spinduliais apšvitintų fotografinių emulsijų šūsnyje užfiksuotų dalelių transformacijos. Tam tikru momentu nematoma greita neutrali dalelė sukėlė vieno iš emulsijos branduolių skilimą ir suformavo mezonus („žvaigždė“ iš 21 takelio). Vienas iš mezonų – mezonas, apėjęs taku aplinkui (nuotraukoje pavaizduota tik pėdsako pradžia ir pabaiga; su nuotraukoje naudotu padidinimu viso pėdsako ilgis būtų buvęs ), sustojo ties tašką ir sunyko pagal schemą . -mezonas, kurio pėdsakas nukreiptas žemyn, buvo užfiksuotas branduolio taške, sukeldamas jo skilimą. Vienas iš skilimo fragmentų buvo branduolys, kuris skilimo būdu pavirto į branduolį, akimirksniu suirdamas į dvi daleles, skrendančias priešingomis kryptimis - paveikslėlyje jie sudaro „plaktuką“. -mezonas, sustojęs, virto -muonu (ir neutrinu) (tašku). -muon pėdsako pabaiga pateikta dešinėje viršutiniame kampe piešimas; matomas irimo metu susidariusio pozitrono pėdsakas.

Ryžiai. 419. -hiperonų susidarymas ir irimas. Vandenilio burbulų kameroje magnetiniame lauke ir apšvitinta antiprotonais, reakcija . Tai įvyko tako pabaigos taške (žr. diagramą paveikslo viršuje). Neutralūs lambda ir anti-lambda hiperonai, nuskridę nedidelį atstumą, nesusiformavę pėdsakų, genda pagal schemas. Antiprotonas anihiliuoja kartu su protonu, sudarydamas ant protono du ir du -mezonų kvantus; protonas neturi matomas pėdsakas, nes dėl didelės masės sąveikaudamas su kvantu negauna pakankamai energijos