Daļiņu detektori. Elementārdaļiņu noteikšanas fizikālie principi

"Īstie" daļiņu detektori, piemēram, Lielā hadronu paātrinātājā, maksā miljoniem dolāru un sver simtiem tonnu, taču mēs mēģināsim iztikt ar daudz pieticīgāku budžetu.

Mums būs nepieciešams:

sausais ledus (apmēram 80 rubļi kilogramā, vēlams iegādāties putuplasta termotvertni vēl par 300 rubļiem - pretējā gadījumā viss, ko iegādājāties, pārāk ātri iztvaiko). Daudz sausā ledus nevajag, pietiek ar kilogramu;
izopropilspirts (maksā 370 rubļu par 0,5 litru, pārdod radioiekārtu veikalos);
filca gabals (šūšanas veikals, apmēram 150 rubļu);
līme filca pielīmēšanai pie trauka dibena (“Moment”, 150 rubļi);
caurspīdīgs trauks, piemēram, plastmasas akvārijs ar vāku (mēs nopirkām cieto plastmasas pārtikas trauku par 1,5 tūkstošiem rubļu);
statīvs sausajam ledam, tā var būt foto kivete (atrast redakcijas virtuvē);
lukturītis.

Tātad sāksim. Vispirms trauka apakšā jāpielīmē filca gabals un jāpagaida dažas stundas, līdz līme nožūst. Pēc tam filcs jāizmērcē izopropilspirtā (pārliecinieties, ka alkohols neietilpst acīs!). Vēlams, lai filcs būtu pilnībā piesātināts ar spirtu, kura atlikums pēc tam ir jāiztukšo. Pēc tam uzlejiet sauso ledu uz kivetes dibena, aizveriet trauku ar vāku un novietojiet to sausajā ledū ar vāku uz leju. Tagad jums jāgaida, līdz gaiss kamerā ir piesātināts ar spirta tvaikiem.

Mākoņu kameras (aka "miglas kamera") darbības princips ir tāds, ka pat ļoti vājš trieciens izraisa piesātināto spirta tvaiku kondensāciju. Rezultātā pat kosmisko daļiņu ietekme izraisa tvaiku kondensāciju, un kamerā veidojas mikroskopisku pilienu ķēdes - sliedes.

Eksperimentu varat noskatīties mūsu video:

Dažas piezīmes no pieredzes: nevajadzētu pirkt pārāk daudz sausā ledus – pat to termiskajā tvertnē tas pilnībā iztvaiko mazāk nekā diennakts laikā, un diez vai jūs atradīsiet rūpniecisko ledusskapi. Ir nepieciešams, lai caurspīdīgā trauka vāks būtu melns, piemēram, to var aizvērt no apakšas ar melnu stiklu. Dziesmas būs labāk redzamas uz melna fona. Jāskatās tieši konteinera apakšā, kur veidojas raksturīga migla, līdzīga lietusgāzei. Tieši šajā miglā parādās daļiņu pēdas.

Kādas dziesmas var redzēt:

Tās nav kosmiskas daļiņas. Īsas un biezas pēdas ir alfa daļiņu pēdas, ko izstaro radioaktīvās gāzes radona atomi, kas nepārtraukti sūcas no Zemes zarnām (un uzkrājas nevēdināmās telpās).

Garas šauras sliedes atstāj muoni, smagie (un īslaicīgie) elektronu radinieki. Viņi dzimst milzīgi augšējie slāņi atmosfērā, kad augstas enerģijas daļiņas saduras ar atomiem un rada veselas daļiņu lietusgāzes, kas galvenokārt sastāv no mioniem.

Liektās trajektorijas liecina par elektroniem vai to antidaļiņām, pozitroniem. Tos ģenerē arī kosmiskie stari, tie saduras ar gaisa molekulām un var pārvietoties zigzagos.

Ja redzējāt pēdas, kas sadalās, tad jums ir paveicies: jūs esat bijis liecinieks vienas daļiņas sadalīšanai divās daļās.

Patika? Abonējiet N+1 plkst

29. aprīlī vēlu vakarā (pagaidām pārplānots) NASA palaiž orbītā Cern detektoru elementārdaļiņas AMS-02. Šis detektors tika būvēts 10 gadus, tā vecākie "brāļi" jau ar spēku strādā pie Lielā hadronu paātrinātāja, tas ir, pazemē, un šis lidos kosmosā! :)

Šeit ir Cern preses relīze, šeit ir palaišanas tiešraide, kas sākas plkst. 21:30 CET, cern twitter nosūtīs arī atskaites. Palaišanu un visus turpmākos darbus var izsekot eksperimenta vietnē. Pa to laiku es īsumā pastāstīšu par ierīci un zinātniskie uzdevumi.

AMS-02 ir īsts elementārdaļiņu detektors ar (gandrīz) visiem tā atribūtiem. Tā izmērs ir 4 metri, svars ir 8,5 tonnas. Protams, to nevar salīdzināt ar tādu kolosu kā ATLAS, taču palaišanai kosmosā (un uzstādīšanai SKS) ar to nepietiek.

Ja pazemes detektori reģistrē daļiņas, kas dzimušas cilvēka izraisītas protonu un citu daļiņu sadursmes laikā, tad AMS-02 reģistrēs kosmiskos starus - ļoti augstas enerģijas daļiņas, kas nonāk pie mums no dziļā kosmosa, izkliedētas uz "dabas paātrinātājiem". Kosmiskie stari, protams, ir pētīti jau ilgu laiku, gandrīz gadsimtu, taču ar tiem joprojām ir saistīti daudzi noslēpumi.

Jaunā detektora svarīgākais uzdevums ir ar īpaši augstu precizitāti izmērīt kosmisko staru sastāvu. Kāds ir antimatērijas īpatsvars kosmiskajos staros? Kā tas mainās ar enerģiju? Vai ir dažas jaunas smagas stabilas daļiņas (tumšās vielas daļiņas) mazos daudzumos, kuras nevar piedzimt sadursmēs, bet kuras Visums spēja radīt? Vai varbūt dažas smalkas iezīmes parasto daļiņu enerģijas spektrā liecinās, ka tās radušās, sabrūkot līdz šim nezināmām supersmagajām daļiņām?

AMS-02 pētīs šos jautājumus, reģistrējot kosmisko staru daļiņu pārvietošanos caur detektora materiālu un izmērot to impulsu, ātrumu, enerģijas izdalīšanos un lādiņu. Detektora optimālās jutības "logs" daļiņu enerģijas izteiksmē ir no aptuveni 1 GeV līdz vairākiem TeV. Šis logs aptver daudzu modeļu prognozes, kā arī pārklājas ar LHC detektoru jutīguma logiem. Bet atšķirībā no Lielā hadronu paātrinātāja, šeit pats Visums darbojas kā paātrinātājs, un tam var būt tālejošas sekas.

Apakšdetektori un apakšsistēmas AMS-02 ().

Tāpat kā klasiskie zemes (precīzāk, pazemes) detektori, tajā vienlaikus ir vairākas atsevišķas noteikšanas sistēmas, kas mēra dažādas īpašības daļiņas. Tikai atšķirībā no tiem, AMS-02 neskatās "iekšā", bet "izskatās"; tas vairāk izskatās pēc viena moderna moderna detektora segmenta.

Ierīce ir īsi aprakstīta eksperimenta vietā. Ir arī sliežu detektori, kas atjauno trajektoriju, Čerenkova detektori, kas mēra daļiņu ātrumu, elektromagnētiskie kalorimetri, kas mēra daļiņu enerģiju, un citas sistēmas. Divi dažādi magnēti vienlaikus atdalīs dažādus lādiņus (es meloju). Izmaksas atsevišķi pastāvīgais magnēts 0,125 Tesla neodīma sakausējums. Un turklāt AMS-02 ir kas tāds, kā pazemes detektoriem nav - GPS sensori un zvaigžņu izsekošanas sistēma :)

Tas viss tika būvēts 10 gadus, izmaksas ir aptuveni 1,5 gigadollari. AMS sadarbībā ir iesaistītas 56 institūcijas no 16 valstīm.

Galvenais, ka tagad šī lieta veiksmīgi aizlidojusi. Rīt vakarā sekosim startam!

Katru sekundi caur mūsu ķermeni izlido desmitiem tūkstošu elementārdaļiņu no kosmosa – mioni, elektroni, neitrīno un tā tālāk. Mēs tos nejūtam un neredzam, bet tas nenozīmē, ka tie neeksistē. Tas nenozīmē, ka tos nevar salabot. Mēs piedāvājam lasītājiem N+1 ar savām rokām samontējiet ierīci, kas ļaus "redzēt" šo nepārtraukto kosmisko lietu.

"Īstie" daļiņu detektori, piemēram, Lielā hadronu paātrinātājā, maksā miljoniem dolāru un sver simtiem tonnu, taču mēs mēģināsim iztikt ar daudz pieticīgāku budžetu.

Mums būs nepieciešams:

sausais ledus (apmēram 80 rubļi kilogramā, vēlams iegādāties putuplasta termotvertni vēl par 300 rubļiem - pretējā gadījumā viss, ko iegādājāties, pārāk ātri iztvaiko). Daudz sausā ledus nevajag, pietiek ar kilogramu;
izopropilspirts (maksā 370 rubļu par 0,5 litru, pārdod radioiekārtu veikalos);
filca gabals (šūšanas veikals, apmēram 150 rubļu);
līme filca pielīmēšanai pie trauka dibena (“Moment”, 150 rubļi);
caurspīdīgs trauks, piemēram, plastmasas akvārijs ar vāku (mēs nopirkām cieto plastmasas pārtikas trauku par 1,5 tūkstošiem rubļu);
statīvs sausajam ledam, tā var būt foto kivete (atrast redakcijas virtuvē);
lukturītis.

Eksperimentu varat noskatīties mūsu video:

Kādas dziesmas var redzēt:

Žurnāls Symmetry

Garas šauras sliedes atstāj muoni, smagie (un īslaicīgie) elektronu radinieki. Tie rodas pārpilnībā augšējos atmosfēras slāņos, kad augstas enerģijas daļiņas saduras ar atomiem un rada veselas daļiņu, galvenokārt mionu, dušas.

Kā jebkurā fiziskais eksperiments, pētot elementārdaļiņas, vispirms ir nepieciešams ielieciet eksperimentēt un tad reģistrēties viņa rezultāti. Eksperimenta iestatīšanā (daļiņu sadursme) ir iesaistīts paātrinātājs, un sadursmju rezultāti tiek pētīti, izmantojot elementārdaļiņu detektori.

Lai rekonstruētu sadursmes attēlu, ir nepieciešams ne tikai noskaidrot, kuras daļiņas ir dzimušas, bet arī ar lielu precizitāti izmērīt to īpašības, galvenokārt trajektoriju, impulsu un enerģiju. Tas viss tiek mērīts, izmantojot dažāda veida detektorus, kas daļiņu sadursmes vietu ieskauj koncentriskos slāņos.

Elementāro daļiņu detektorus var iedalīt divās grupās: trases detektori, kas mēra daļiņu trajektoriju, un kalorimetri kas mēra viņu enerģiju. Trases detektori cenšas sekot daļiņu kustībai, neradot nekādus traucējumus. No otras puses, kalorimetriem ir pilnībā jāabsorbē daļiņa, lai izmērītu tās enerģiju. Rezultātā rodas mūsdienu detektora standarta izkārtojums: iekšpusē ir vairāki trases detektoru slāņi, bet ārpusē - vairāki kalorimetru slāņi, kā arī speciālie mionu detektori. Vispārējā forma tipisks mūsdienu detektors ir parādīts att. viens.

Mūsdienu detektoru galveno komponentu struktūra un darbības princips ir īsi aprakstīts zemāk. Uzsvars tiek likts uz dažiem no visvairāk visparīgie principi atklāšana. Konkrētus detektorus, kas darbojas lielajā hadronu paātrinātājā, skatiet sadaļā LHC detektori.

Trases detektori

Trases detektori rekonstruē daļiņas trajektoriju. Tie parasti atrodas magnētiskā lauka apgabalā, un tad daļiņas impulsu var noteikt pēc daļiņas trajektorijas izliekuma.

Trases detektoru darbs ir balstīts uz to, ka garāmejoša lādēta daļiņa rada jonizācijas taku - tas ir, izsit elektronus no savā ceļā esošajiem atomiem. Šajā gadījumā jonizācijas intensitāte ir atkarīga gan no daļiņas veida, gan no detektora materiāla. Brīvos elektronus savāc elektronika, kuras signāls ziņo daļiņu koordinātas.

Virsotņu detektors

samits(mikrovertex, pikseļi) detektors- Šis ir daudzslāņu pusvadītāju detektors, kas sastāv no atsevišķām plānām plāksnēm, uz kurām tieši ir nogulsnēta elektronika. Šis ir visdziļākais detektoru slānis: tas parasti sākas tieši ārpus vakuuma caurules (dažreiz pirmais slānis ir uzstādīts tieši uz vakuuma caurules ārējās sienas) un aizņem pirmos dažus centimetrus radiālā virzienā. Silīciju parasti izvēlas kā pusvadītāju materiālu, jo tam ir augsta starojuma pretestība (detektora iekšējie slāņi ir pakļauti milzīgām cietā starojuma devām).

Būtībā virsotņu detektors darbojas tāpat kā digitālās kameras sensors. Kad lādēta daļiņa lido cauri šai plāksnei, tā atstāj tajā pēdas - vairāku desmitu mikronu lielu jonizācijas mākoni. Šo jonizāciju nolasa elektroniskais elements tieši zem pikseļa. Zinot daļiņas krustošanās punktu koordinātas ar vairākām secīgām pikseļu detektoru plāksnēm, ir iespējams rekonstruēt daļiņu trīsdimensiju trajektorijas un izsekot tām atpakaļ caurules iekšpusē. Caur šādu rekonstruētu trajektoriju krustojumu kādā telpas punktā, virsotne- punkts, kurā šīs daļiņas ir dzimušas.

Dažreiz izrādās, ka ir vairākas šādas virsotnes, un viena no tām parasti atrodas tieši uz sadursmes staru sadursmes ass (primārā virsotne), bet otrā atrodas attālumā. Tas parasti nozīmē, ka protoni sadūrās primārajā virsotnē un nekavējoties radīja vairākas daļiņas, bet daži no tiem spēja nolidot kādu attālumu, pirms sabruka bērnu daļiņās.

Mūsdienu detektoros virsotņu rekonstrukcijas precizitāte sasniedz 10 mikronus. Tas ļauj droši reģistrēt gadījumus, kad sekundārās virsotnes atrodas 100 mikronu attālumā no sadursmes ass. Tieši šādos attālumos izlido dažādi metastabīli hadroni, kuru sastāvā ir c- vai b-kvarks (tā saucamie "apburtie" un "burvīgie" hadroni). Tāpēc virsotņu detektors ir būtisks rīks detektors LHCb, kura galvenais uzdevums būs pētīt šos hadronus.

Pusvadītāji darbojas pēc līdzīga principa. mikrosloksnes detektori, kurā mazo pikseļu vietā tiek izmantotas plānākās, bet diezgan garās jutīga materiāla sloksnes. Tajos jonizācija nenosēžas uzreiz, bet nobīdās gar sloksni un tiek nolasīta tās galā. Sloksnes ir veidotas tā, lai lādiņu mākoņa pārvietošanās ātrums pa to būtu nemainīgs un tas neizplūstu. Līdz ar to, zinot brīdi, kad lādiņš pienāk pie nolasīšanas elementa, var izrēķināt tā punkta koordinātes, kur lādētā daļiņa caururbusi sloksni. Mikrojoslu detektoru telpiskā izšķirtspēja ir sliktāka nekā pikseļu detektoriem, taču tie var aptvert daudz vairāk par liela platība, jo viņiem tāda nav nepieciešama liels skaits lasīšanas elementi.

Drifta kameras

Drifta kameras- Tās ir ar gāzi pildītas kameras, kas novietotas ārpus pusvadītāju trases detektoriem, kur radiācijas līmenis ir salīdzinoši zems un nav nepieciešama tik augsta pozīcijas noteikšanas precizitāte, kā ar pusvadītāju detektoriem.

Klasiskā dreifēšanas kamera ir caurule, kas pildīta ar gāzi, kuras iekšpusē ir izstiepti daudzi ļoti tievi vadi. Tas darbojas kā virsotņu detektors, bet ne uz plakanas plāksnes, bet gan apjomā. Visi vadi ir nospriegoti, un to izvietojums ir izvēlēts tā, lai tie būtu vienoti elektriskais lauks. Kad uzlādēta daļiņa lido cauri gāzes kamerai, tā atstāj telpisku jonizācijas taku. Reibumā elektriskais lauks jonizācija (pirmkārt, elektroni) pārvietojas ar nemainīgu ātrumu (fiziķi saka "drift") pa lauka līnijām virzienā uz anoda vadiem. Sasniedzot kameras malu, jonizāciju nekavējoties absorbē elektronika, kas pārraida signāla impulsu uz izeju. Tā kā nolasīšanas elementu ir daudz, signālus no tiem var izmantot, lai ar labu precizitāti atjaunotu garām braucošās daļiņas koordinātas un līdz ar to arī trajektoriju.

Parasti jonizācijas apjoms, kas rada iekšā gāzes kamera ejošā daļiņa ir maza. Lai palielinātu lādiņu savākšanas un reģistrēšanas uzticamību un samazinātu kļūdu tā mērīšanā, signāls ir jāpastiprina vēl pirms to reģistrē elektronika. Tas tiek darīts, izmantojot īpašu anoda un katoda vadu tīklu, kas izstiepts lasīšanas iekārtas tuvumā. Ejot garām anoda vadam, elektronu mākonis uz tā ģenerē lavīnu, kā rezultātā elektroniskais signāls tiek reizināts.

Jo spēcīgāks ir magnētiskais lauks un lielāki paša detektora izmēri, jo spēcīgāk daļiņu trajektorija novirzās no taisnes, kas nozīmē, ka jo ticamāk iespējams izmērīt tās izliekuma rādiusu un no tā rekonstruēt daļiņas impulsu. Tāpēc, lai pētītu reakcijas ar daļiņām ar ļoti lielu enerģiju, simtiem GeV un TeV, ir vēlams izveidot lielākus detektorus un izmantot magnētiskie lauki stiprāks. Tīri inženiertehnisku iemeslu dēļ parasti ir iespējams palielināt tikai vienu no šīm vērtībām uz otras rēķina. Divi lielākie LHC detektori - ATLAS un CMS - atšķiras tikai ar to, kura no šīm vērtībām ir optimizēta. Pie ATLAS detektora lielāki izmēri, bet mazāks lauks, savukārt CMS detektoram ir spēcīgāks lauks, bet kopumā tas ir kompaktāks.

Laika projekcijas kamera

Īpašs dreifēšanas kameras veids ir tā sauktā laika projekcijas kamera(VPK). Patiesībā VPK ir viena liela, vairākus metrus liela, cilindriska dreifējoša šūna. Visā tilpumā gar cilindra asi tiek izveidots vienmērīgs elektriskais lauks. Visa virpuļojošā jonizācijas taka, ko daļiņas atstāj, lidojot cauri šai kamerai, vienmērīgi novirzās uz cilindra galiem, saglabājot savu telpisko formu. Trajektorijas ir it kā “projicētas” uz kameras galiem, kur liels nolasīšanas elementu klāsts reģistrē lādiņa ierašanos. Radiālās un leņķiskās koordinātas nosaka sensora numurs, un koordinātas gar cilindra asi nosaka signāla ierašanās laiks. Pateicoties tam, ir iespējams atjaunot daļiņu kustības trīsdimensiju attēlu.

Starp eksperimentiem, kas tiek veikti LHC, ALICE detektors izmanto laika projekcijas kameru.

Roman Pots detektori

Ir īpašs pusvadītāju pikseļu detektoru veids, kas darbojas tieši vakuuma caurules iekšpusē, tiešā stara tuvumā. Pirmo reizi tos 1970. gados ierosināja pētnieku grupa no Romas, un kopš tā laika tie ir kļuvuši pazīstami kā Romiešu podi("romiešu podi").

Roman Pots detektori ir izstrādāti, lai atklātu daļiņas, kuras sadursmes laikā novirzās ļoti mazos leņķos. Parastie detektori, kas atrodas ārpus vakuuma caurules, šeit nav piemēroti tikai tāpēc, ka daļiņa, kas izstaro ļoti mazā leņķī, var lidot daudzus kilometrus vakuuma caurules iekšpusē, griežoties kopā ar galveno staru un neizplūstot. Lai reģistrētu šādas daļiņas, vakuuma caurulē ir jāievieto mazi detektori šķērsām stara asij, bet nepieskaroties pašam staram.

Lai to izdarītu, noteiktā paātrinājuma gredzena posmā, parasti simtiem metru attālumā no sadursmes staru sadursmes vietas, tiek ievietota īpaša vakuuma caurules sekcija ar šķērsvirziena "piedurknēm". Tajos uz mobilajām platformām ievietoti mazi, vairākus centimetrus lieli pikseļu detektori. Kad staru kūlis ir tikko ievadīts, tas joprojām ir nestabils un ir liels šķērseniskās vibrācijas. Detektori šobrīd ir paslēpti uzmavu iekšpusē, lai izvairītos no bojājumiem no tieša stara sitiena. Pēc staru kūļa stabilizēšanās platformas iziet no rokām un pārvieto Roman Pots detektoru jutīgās matricas tiešā stara tuvumā, 1-2 milimetru attālumā. Nākamā akseleratora cikla beigās, pirms vecā stara izmešanas un jauna ievadīšanas, detektori tiek ievilkti atpakaļ rokās un gaida nākamo darbības sesiju.

Roman Pots izmantotie pikseļu detektori atšķiras no parastajiem virsotņu detektoriem ar to, ka tie maksimāli palielina vafeļu virsmas daļu, ko aizņem sensorie elementi. Jo īpaši uz plāksnes malas, kas ir vistuvāk sijai, praktiski nav nejutīgas "mirušās" zonas ( "bez malām"-tehnoloģija).

Viens no eksperimentiem lielajā hadronu paātrinātājā TOTEM izmantos tikai vairākus no šiem detektoriem. Tiek izstrādāti vēl vairāki līdzīgi projekti. LHCb eksperimenta virsotņu detektors satur arī dažus šīs tehnoloģijas elementus.

Vairāk par šiem detektoriem varat lasīt CERN Courier rakstā Romiešu podi LHC vai TOTEM eksperimenta tehniskajā dokumentācijā.

Kalorimetri

Kalorimetri mēra elementārdaļiņu enerģiju. Lai to izdarītu, uzlieciet daļiņu ceļu biezs slānis blīva viela (parasti smagais metāls - svins, dzelzs, misiņš). Tajā esošā daļiņa saduras ar elektroniem vai atomu kodoliem un rezultātā ģenerē sekundāro daļiņu plūsmu - duša. Sākotnējās daļiņas enerģija tiek sadalīta starp visām dušas daļiņām tā, ka katras atsevišķās daļiņas enerģija šajā dušā kļūst maza. Rezultātā duša iestrēgst vielas biezumā, tās daļiņas uzsūcas un iznīcina, un daļa, diezgan noteikta, enerģijas daļa tiek atbrīvota gaismas veidā. Šo gaismas zibspuldzi kalorimetra galos savāc fotopavairotāji, kas to pārvērš elektriskā impulsā. Turklāt dušas enerģiju var izmērīt, savācot jonizāciju ar jutīgām plāksnēm.

Elektroni un fotoni, ejot cauri matērijai, galvenokārt saduras ar elektronu čaulas atomi un ģenerē elektromagnētisko dušu – liela skaita elektronu, pozitronu un fotonu plūsmu. Šādas lietusgāzes strauji attīstās nelielā dziļumā un parasti uzsūcas vairākus desmitus centimetru biezā vielas slānī. Augstas enerģijas hadroni (protoni, neitroni, pi-mezoni un K-mezoni) zaudē enerģiju galvenokārt sadursmju ar kodoliem dēļ. Šajā gadījumā tiek ģenerēta hadronu duša, kas vielas biezumā iekļūst daudz dziļāk nekā elektromagnētiskā, turklāt tā ir plašāka. Tāpēc, lai pilnībā absorbētu hadronisko dušu no ļoti augstas enerģijas daļiņas, ir nepieciešams viens vai divi metri matērijas.

Mūsdienu detektoros maksimāli tiek izmantota atšķirība starp elektromagnētisko un hadronu dušu raksturlielumiem. Kalorimetri bieži tiek izgatavoti divslāņu: iekšpusē atrodas elektromagnētiskie kalorimetri, kurā pārsvarā tiek absorbētas elektromagnētiskās dušas, un ārpusē - hadronu kalorimetri, kuras "sasniedz" tikai hadronu lietus. Tādējādi kalorimetri ne tikai mēra enerģiju, bet arī nosaka "enerģijas veidu" – vai tā ir elektromagnētiskas vai hadroniskas izcelsmes. Tas ir ļoti svarīgi, lai pareiza izpratne notika protonu sadursmes detektora centrā.

Lai reģistrētu dušu ar optiskiem līdzekļiem, kalorimetra materiālam jābūt ar scintilācijas īpašībām. AT scintilators viena viļņa garuma fotoni tiek absorbēti ļoti efektīvi, izraisot vielas molekulu ierosmi, un šī ierosme tiek noņemta, izstarojot mazākas enerģijas fotonus. Izstarotajiem fotoniem scintilators jau ir caurspīdīgs, un tāpēc tie var sasniegt kalorimetriskās šūnas malu. Kalorimetri izmanto standarta, sen pētītus scintilatorus, kuriem ir labi zināms, kāda sākotnējās daļiņas enerģijas daļa tiek pārvērsta optiskā zibspuldzē.

Lai efektīvi absorbētu dušas, ir jāizmanto pēc iespējas blīvāka viela. Ir divi veidi, kā saskaņot šo prasību ar scintilatoru prasībām. Pirmkārt, var izvēlēties ļoti smagus scintilatorus un piepildīt ar tiem kalorimetru. Otrkārt, no smagas vielas un vieglā scintilatora mainīgām plāksnēm ir iespējams izgatavot "dūšiņu". Ir arī eksotiskākas kalorimetra dizaina versijas, piemēram, "spageti" kalorimetri, kuros daudzas tievas kvarca šķiedras ir iestrādātas masīvā absorbējošā matricā. Duša, attīstoties pa šādu kalorimetru, rada Čerenkova gaismu kvarcā, kas tiek izvadīts caur šķiedrām līdz kalorimetra galam.

Daļiņas enerģijas atjaunošanas precizitāte kalorimetrā uzlabojas, palielinoties enerģijai. Daļiņām, kuru enerģija ir simtiem GeV, kļūda ir aptuveni procenti elektromagnētiskajiem kalorimetriem un daži procenti hadroniskajiem kalorimetriem.

Mūnu kameras

Mūoniem raksturīga iezīme ir tā, ka tie ļoti lēni zaudē enerģiju, pārvietojoties pa matēriju. Tas ir saistīts ar to, ka, no vienas puses, tie ir ļoti smagi, tāpēc sadursmē nevar efektīvi nodot enerģiju elektroniem, otrkārt, tie nepiedalās spēcīgā mijiedarbībā, tāpēc tie ir vāji izkliedēti pa kodoliem. Rezultātā mioni var nolidot daudzus metrus vielas, pirms tie apstājas, iekļūstot tur, kur nevar sasniegt citas daļiņas.

Tas, no vienas puses, neļauj izmērīt mūonu enerģiju ar kalorimetriem (galu galā mūonu nevar pilnībā absorbēt), bet, no otras puses, tas ļauj labi atšķirt mionus no citām daļiņām. Mūsdienu detektoros mionu kameras atrodas detektora visattālākajos slāņos, bieži pat ārpus masīvā metāla jūga, kas detektorā rada magnētisko lauku. Šādas caurules mēra nevis enerģiju, bet gan muonu impulsu, un tajā pašā laikā var droši pieņemt, ka šīs daļiņas ir tieši mioni, nevis kas cits. Ir vairākas mionu kameru šķirnes, ko izmanto dažādiem mērķiem.

Daļiņu identifikācija

Atsevišķs jautājums ir daļiņu identifikācija, tas ir, noskaidrot, kāda veida daļiņa izlidoja cauri detektoram. Tas nebūtu grūti, ja mēs zinātu daļiņas masu, bet tieši to mēs parasti nezinām. No vienas puses, masu principā var aprēķināt, izmantojot relativistiskās kinemātikas formulas, zinot daļiņas enerģiju un impulsu, taču diemžēl to mērījumu kļūdas parasti ir tik lielas, ka neļauj atšķirt piem. , pi-mezons no mūona to tuvuma dēļ wt.

Šādā situācijā ir četras galvenās daļiņu identificēšanas metodes:

Autors atbildi iekšā dažādi veidi kalorimetri un mionu caurules.
Autors enerģijas atbrīvošana trases detektoros. Dažādas daļiņas rada dažādus jonizācijas apjomus uz ceļa centimetru, un to var izmērīt pēc signāla stipruma no trases detektoriem.
Caur Čerenkovs ieskaita. Ja daļiņa lido cauri caurspīdīgam materiālam ar laušanas koeficientu n ar ātrumu, kas lielāks par gaismas ātrumu šajā materiālā (tas ir, lielāks par c/n), tad tas izstaro Čerenkova starojumu stingri noteiktos virzienos. Ja par detektoru ņemam aerogelu (tipiskais refrakcijas indekss n= 1,03), tad Čerenkova starojums no daļiņām, kas pārvietojas ar ātrumu 0,99 c un 0,995 c, būtiski atšķirsies.
Caur lidojuma laika kameras. Tajos ar detektoru palīdzību ar ļoti augstu laika izšķirtspēju tiek izmērīts daļiņas lidojuma laiks noteiktā kameras posmā un no tā tiek aprēķināts tās ātrums.

Katrai no šīm metodēm ir savas grūtības un kļūdas, tāpēc parasti netiek garantēta daļiņu identifikācijas pareizība. Dažreiz detektora "neapstrādāto" datu apstrādes programma var nonākt pie secinājuma, ka mūons izlidojis cauri detektoram, lai gan patiesībā tas bija pions. Pilnībā atbrīvoties no šādām kļūdām nav iespējams. Atliek tikai rūpīgi izpētīt detektoru pirms darbības (piemēram, izmantojot kosmiskos mionus), noskaidrot daļiņu nepareizas identifikācijas gadījumu procentuālo daļu un vienmēr ņemt to vērā, apstrādājot reālus datus.

Prasības detektoriem

Mūsdienu daļiņu detektorus dažkārt dēvē par digitālo kameru "lielajiem brāļiem". Tomēr ir vērts atcerēties, ka kameras un detektora darbības apstākļi būtiski atšķiras.

Pirmkārt, visiem detektora elementiem jābūt ļoti ātri un ļoti precīzi sinhronizēti viens ar otru. Lielajā hadronu paātrinātājā maksimālās veiktspējas laikā gabali sadursies 40 miljonus reižu sekundē. Katrā sadursmē dzims daļiņas, kas atstās savu “attēlu” detektorā, un detektors nedrīkst “aizrīties” ar šo “attēlu” plūsmu. Rezultātā 25 nanosekundēs ir jāsavāc visa lidojošo daļiņu atstātā jonizācija, jāpārvērš elektriskos signālos un jāiztīra detektors, sagatavojot to nākamajai daļiņu porcijai. 25 nanosekundēs daļiņas nolido tikai 7,5 metrus, kas ir salīdzināms ar lielu detektoru izmēru. Kamēr detektora ārējos slāņos sakrājas jonizācija no garāmejošajām daļiņām, daļiņas no nākamās sadursmes jau lido cauri tā iekšējiem slāņiem!

Otra galvenā prasība detektoram ir starojuma pretestība. Elementārās daļiņas, kas lido prom no ķekaru sadursmes vietas, ir īsts starojums un ļoti ciets. Piemēram, sagaidāmā absorbētā jonizējošā starojuma deva, ko virsotņu detektors saņems darbības laikā, ir 300 kilogrami plus kopējā neitronu plūsma 5,10 14 neitronu uz cm 2 . Šādos apstākļos detektoram jādarbojas gadiem ilgi un joprojām ir jādarbojas. Tas attiecas ne tikai uz paša detektora materiāliem, bet arī uz elektroniku, ar kuru tas ir pildīts. Bija vajadzīgi vairāki gadi, lai izveidotu un pārbaudītu defektiem izturīgu elektroniku, kas darbosies tik skarbos starojuma apstākļos.

Vēl viena prasība elektronikai - zema jauda. Daudzmetru detektoru iekšpusē nav brīvas vietas - katrs tilpuma kubikcentimetrs ir piepildīts ar noderīgu aprīkojumu. Dzesēšanas sistēma neizbēgami atņem detektora darba tilpumu - galu galā, ja daļiņa lido tieši caur dzesēšanas cauruli, tā vienkārši netiks reģistrēta. Tāpēc enerģijas izdalīšanai no elektronikas (simtiem tūkstošu atsevišķu dēļu un vadu, kas ņem informāciju no visām detektora sastāvdaļām) jābūt minimālai.

Papildliteratūra:

K. Grupens. "Elementārie daļiņu detektori" // Sibīrijas hronogrāfs, Novosibirska, 1999.
Daļiņu detektori (PDF, 1,8 Mb).
Daļiņu detektori // nodaļa no mācību rokasgrāmata B. S. Išhanovs, I. M. Kapitonovs, E. I. Kabins. "Daļiņas un kodoli. Eksperiments". M.: Maskavas Valsts universitātes izdevniecība, 2005.
N. M. Nikityuks. Precīzi mikroapeksa detektori (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, 28. sēj., Nr. 1, 191.–242. lpp. (1997).

ch. XXIII iepazināmies ar ierīcēm, ko izmanto mikrodaļiņu noteikšanai - mākoņu kameru, scintilācijas skaitītāju, gāzizlādes skaitītāju. Lai gan šie detektori tiek izmantoti elementārdaļiņu pētījumos, tie ne vienmēr ir ērti. Fakts ir tāds, ka visinteresantākie mijiedarbības procesi, ko pavada elementārdaļiņu savstarpējas pārvērtības, notiek ļoti reti. Daļiņai savā ceļā jāsatiekas ar daudziem nukleoniem vai elektroniem, lai notiktu interesanta sadursme. Praksē tai jāiet pa desmitiem centimetru mērītu ceļu blīvā vielā (tādā ceļā uzlādēta daļiņa ar miljardiem elektronvoltu enerģiju jonizācijas dēļ zaudē tikai daļu savas enerģijas).

Tomēr mākoņu kamerā vai gāzizlādes skaitītājā jutīgais slānis (blīvās vielas izteiksmē) ir ārkārtīgi plāns. Saistībā ar to ir izmantotas dažas citas daļiņu noteikšanas metodes.

Fotografēšanas metode izrādījās ļoti auglīga. Īpašās smalkgraudainās fotoemulsijās katra uzlādētā daļiņa, kas šķērso emulsiju, atstāj pēdas, kuras pēc plāksnes attīstīšanas tiek noteiktas mikroskopā melnu graudu ķēdes veidā. Pēc daļiņas atstātās pēdas rakstura fotogrāfiskajā emulsijā var noteikt šīs daļiņas raksturu - tās lādiņu, masu un enerģiju. Fotografēšanas metode ir ērta ne tikai tāpēc, ka var izmantot biezus materiālus, bet arī tāpēc, ka fotoplāksnē, atšķirībā no mākoņu kameras, lādētu daļiņu pēdas nepazūd drīz pēc daļiņas caurbraukšanas. Pētot retus notikumus, ieraksti var tikt pakļauti ilgu laiku; tas ir īpaši noderīgi kosmisko staru pētījumos. Fotoemulsijā uzņemtu retu notikumu piemēri ir parādīti iepriekš attēlā. 414, 415; Īpaši interesants ir att. 418.

Vēl viena ievērojama metode ir balstīta uz pārkarsētu šķidrumu īpašību izmantošanu (sk. I sējuma 299. punktu). Karsējot ļoti tīru šķidrumu līdz temperatūrai, kas pat nedaudz pārsniedz viršanas temperatūru, šķidrums nevārās, jo virsmas spraigums novērš tvaika burbuļu veidošanos. Amerikāņu fiziķis Donalds Glezers (dzimis 1926. gadā) 1952. gadā atzīmēja, ka pārkarsēts šķidrums, pietiekami intensīvi apstarojot, uzreiz uzvārās; papildu enerģija, kas izdalās ātro elektronu pēdās, kas rodas šķidrumā ar -starojumu, nodrošina apstākļus burbuļu veidošanai.

Pamatojoties uz šo parādību, Glaeser izstrādāja tā saukto šķidruma burbuļu kameru. Šķidrums plkst augsts asinsspiediens karsē līdz temperatūrai, kas ir tuvu viršanas temperatūrai, bet zemāka par to. Tad spiediens un līdz ar to viršanas temperatūra samazinās, un šķidrums tiek pārkarsēts. Pa lādētas daļiņas trajektoriju, kas šajā brīdī šķērso šķidrumu, veidojas tvaika burbuļu pēdas. Ar pareizo apgaismojumu to var uzņemt ar kameru. Kā likums, burbuļu kameras atrodas starp spēcīga elektromagnēta poliem, magnētiskais lauks saliec daļiņu trajektorijas. Izmērot daļiņu trases garumu, tā izliekuma rādiusu un burbuļu blīvumu, ir iespējams noteikt daļiņas īpašības. Tagad burbuļu kameras ir sasniegušas augstu pilnības līmeni; darbs, piemēram, ar šķidru ūdeņradi pildītas kameras, kuru jutīgais tilpums ir vairāki kubikmetri. Fotogrāfiju piemēri ar daļiņu pēdām burbuļu kamerā ir parādīti attēlā. 416, 417, 419, 420.

Rīsi. 418. Ar kosmiskajiem stariem apstarotā fotoemulsiju kaudzītē ierakstīto daļiņu pārvērtības. Kādā brīdī neredzama ātra neitrāla daļiņa izraisīja viena emulsijas kodola sadalīšanos un izveidoja mezonus ("zvaigzne" ar 21 celiņu). Viens no mezoniem, -mezons, izbraucis taku apkārt (fotogrāfijā redzams tikai pēdas sākums un beigas; ar fotogrāfijā izmantoto palielinājumu visas pēdas garums būtu bijis ), apstājās plkst. punkts un sabruka saskaņā ar shēmu . -mezonu, kura pēda ir vērsta uz leju, kodols tika notverts punktā, izraisot tā sadalīšanos. Viens no šķelšanās fragmentiem bija kodols, kas sabrukšanas rezultātā pārvērtās par kodolu, acumirklī sadaloties divās pretējos virzienos lidojošās daļiņās - attēlā tās veido “āmuru”. -mezons, apstājies, pārvērtās par -muonu (un neitrīno) (punktu). -muon pēdas beigas ir norādītas labajā pusē augšējais stūris zīmēšana; ir redzama sabrukšanas laikā izveidotā pozitrona pēda.

Rīsi. 419. -hiperonu veidošanās un sabrukšana. Ūdeņraža burbuļu kamerā magnētiskajā laukā un apstarotā ar antiprotoniem, reakcija . Tas notika pēdas beigu punktā (skatiet diagrammu attēla augšpusē). Neitrālie lambda un antilambda hiperoni, nolidojuši nelielu attālumu bez pēdas veidošanās, sadalās saskaņā ar shēmām. Antiprotons iznīcinās kopā ar protonu, veidojot uz protona divu un divu mezonu kvantu; protonu nav redzama pēda, jo lielās masas dēļ tas nesaņem pietiekami daudz enerģijas, mijiedarbojoties ar -kvantu