Detektory cząstek. Fizyczne zasady wykrywania cząstek elementarnych

„Prawdziwe” detektory cząstek, takie jak te w Wielkim Zderzaczu Hadronów, kosztują miliony dolarów i ważą setki ton, ale postaramy się zadowolić znacznie skromniejszym budżetem.

Będziemy potrzebować:

suchy lód (około 80 rubli za kilogram, zaleca się zakup pojemnika termicznego z tworzywa piankowego za kolejne 300 rubli - w przeciwnym razie wszystko, co kupiłeś, zbyt szybko wyparuje). Dużo suchego lodu nie jest potrzebne, wystarczy kilogram;
alkohol izopropylowy (kosztuje 370 rubli za 0,5 litra, sprzedawany w sklepach ze sprzętem radiowym);
kawałek filcu (szwalnia, około 150 rubli);
klej do przyklejenia filcu do dna pojemnika („Moment”, 150 rubli);
przezroczysty pojemnik, taki jak plastikowe akwarium z pokrywką (kupiliśmy twardy plastikowy pojemnik na żywność za 1,5 tysiąca rubli);
stojak na suchy lód, może to być kuweta fotograficzna (znajduje się w redakcyjnej kuchni);
Latarnia.

Więc zacznijmy. Najpierw należy przykleić kawałek filcu do dna pojemnika i odczekać kilka godzin, aż klej wyschnie. Następnie filc należy nasączyć alkoholem izopropylowym (uważaj, aby alkohol nie dostał się do oczu!). Pożądane jest, aby filc był całkowicie nasycony alkoholem, którego pozostałą część należy następnie opróżnić. Następnie wylej suchy lód na dno kuwety, zamknij pojemnik pokrywką i umieść go w suchym lodzie pokrywką do dołu. Teraz trzeba poczekać, aż powietrze w komorze nasyci się oparami alkoholu.

Zasada działania komory mgłowej (inaczej „komora mgłowa”) polega na tym, że nawet bardzo słabe uderzenie powoduje kondensację nasyconej pary alkoholu. W efekcie nawet uderzenie kosmicznych cząstek powoduje kondensację pary, a w komorze tworzą się łańcuchy mikroskopijnych kropelek – tory.

Eksperyment można obejrzeć na naszym filmie:

Kilka uwag z doświadczenia: nie należy kupować za dużo suchego lodu - całkowicie wyparuje w mniej niż jeden dzień nawet w pojemniku termicznym, a raczej nie znajdziesz przemysłowej lodówki. Konieczne jest, aby wieczko przezroczystego pojemnika było czarne, na przykład można je zamknąć od dołu czarnym szkłem. Utwory będą lepiej widoczne na czarnym tle. Trzeba dokładnie przyjrzeć się dnie pojemnika, gdzie tworzy się charakterystyczna mgła, przypominająca mżący deszcz. To w tej mgle pojawiają się ślady cząstek.

Jakie ślady można zobaczyć:

To nie są kosmiczne cząstki. Krótkie i grube tory to ślady cząstek alfa emitowanych przez atomy radioaktywnego gazu radon, który nieustannie wycieka z wnętrzności Ziemi (i gromadzi się w niewentylowanych pomieszczeniach).

Długie, wąskie ścieżki pozostawiają miony, ciężcy (i krótko żyjący) krewni elektronów. Rodzą się w rzeszach górne warstwy atmosfery, kiedy wysokoenergetyczne cząstki zderzają się z atomami i powodują powstawanie całych deszczów cząstek, w większości składających się z mionów.

Zakrzywione trajektorie to znak elektronów lub ich antycząstek, pozytonów. Są również generowane przez promienie kosmiczne, zderzają się z cząsteczkami powietrza i mogą poruszać się zygzakami.

Jeśli widziałeś rozgałęziające się ścieżki, masz szczęście: byłeś świadkiem rozpadu jednej cząstki na dwie.

Podobało Ci się? Subskrybuj N+1 at

29 kwietnia późnym wieczorem (na razie przełożonym) NASA wystrzeliwuje na orbitę detektor Cern cząstki elementarne AMS-02. Ten detektor był budowany 10 lat, jego starsi „bracia” już pracują z mocą i głównymi w Wielkim Zderzaczu Hadronów, czyli pod ziemią, a ten poleci w kosmos! :)

Oto komunikat prasowy Cern, oto transmisja na żywo z premiery rozpoczynająca się o 21:30 CET, twitter wyśle również raporty. Rozpoczęcie i wszystkie późniejsze prace można śledzić na stronie eksperymentu. W międzyczasie pokrótce opowiem o urządzeniu i zadania naukowe.

AMS-02 to prawdziwy detektor cząstek elementarnych z (prawie) wszystkimi jego atrybutami. Jego rozmiar to 4 metry, waga to 8,5 tony. Oczywiście nie można go porównywać z takim kolosem jak ATLAS, ale do wystrzelenia w kosmos (i instalacji na ISS) to nie wystarczy.

Jeśli podziemne detektory zarejestrują cząstki powstałe podczas zderzenia spowodowanego przez człowieka protonów i innych cząstek, to AMS-02 zarejestruje promieniowanie kosmiczne – cząstki o bardzo wysokich energiach, które docierają do nas z głębokiego kosmosu, rozproszone na „naturalnych akceleratorach”. Promienie kosmiczne są oczywiście badane od dawna, prawie od stulecia, ale wiele tajemnic wciąż się z nimi wiąże.

Najważniejszym zadaniem nowego detektora jest pomiar składu promieni kosmicznych z ultrawysoką dokładnością. Jaki jest udział antymaterii w promieniowaniu kosmicznym? Jak zmienia się wraz z energią? Czy istnieją jakieś nowe ciężkie, stabilne cząstki (cząstki ciemnej materii) w niewielkich ilościach, które nie mogą się narodzić w zderzaczach, ale które Wszechświat mógł spowodować? A może jakieś subtelne cechy widma energetycznego zwykłych cząstek będą wskazywać, że powstały one w wyniku rozpadu nieznanych dotąd superciężkich cząstek?

AMS-02 zbada te kwestie, rejestrując przechodzenie cząstek promieniowania kosmicznego przez materiał detektora i mierząc ich pęd, prędkość, uwalnianie energii i ładunek. „Okno” optymalnej czułości detektora pod względem energii cząstek wynosi od około 1 GeV do kilku TeV. To okno obejmuje przewidywania wielu modeli, a także pokrywa się z oknami czułości detektorów w LHC. Ale w przeciwieństwie do Wielkiego Zderzacza Hadronów, tutaj sam wszechświat działa jako akcelerator, a to może mieć daleko idące konsekwencje.

Poddetektory i podsystemy AMS-02 ().

Podobnie jak klasyczne detektory naziemne (a dokładniej podziemne), zawiera kilka oddzielnych systemów detekcji jednocześnie, mierzących różne cechy cząstki. Tylko w przeciwieństwie do nich, AMS-02 nie zagląda „do środka”, ale „wygląda”; wygląda bardziej jak jeden segment zaawansowanego, nowoczesnego detektora.

Urządzenie zostało pokrótce opisane na miejscu eksperymentu. Istnieją również detektory torów, które przywracają trajektorię, detektory Czerenkowa mierzące prędkość cząstek, kalorymetry elektromagnetyczne mierzące energię cząstek i inne systemy. Dwa różne magnesy oddzielą jednocześnie różne ładunki (skłamałem). Oddzieli opłaty trwały magnes Stop neodymowy 0,125 Tesli. A do tego AMS-02 ma coś, czego nie mają podziemne detektory - czujniki GPS i system śledzenia gwiazd :)

Wszystko to budowane było przez 10 lat, koszt to około 1,5 gigadola. Współpraca AMS obejmuje 56 instytucji z 16 krajów.

Najważniejsze, że teraz ta rzecz z powodzeniem odleciała. Jutro wieczorem będziemy śledzić premierę!

Dziesiątki tysięcy cząstek elementarnych z kosmosu przelatują przez nasze ciało co sekundę - miony, elektrony, neutrina i tak dalej. Nie czujemy ich i nie widzimy, ale to nie znaczy, że nie istnieją. Nie oznacza to, że nie można ich naprawić. Oferujemy czytelnikom N+1 zmontuj własnymi rękami urządzenie, które pozwoli Ci „zobaczyć” ten nieprzerwany kosmiczny deszcz.

„Prawdziwe” detektory cząstek, takie jak te w Wielkim Zderzaczu Hadronów, kosztują miliony dolarów i ważą setki ton, ale postaramy się zadowolić znacznie skromniejszym budżetem.

Będziemy potrzebować:

suchy lód (około 80 rubli za kilogram, zaleca się zakup pojemnika termicznego z tworzywa piankowego za kolejne 300 rubli - w przeciwnym razie wszystko, co kupiłeś, zbyt szybko wyparuje). Dużo suchego lodu nie jest potrzebne, wystarczy kilogram;
alkohol izopropylowy (kosztuje 370 rubli za 0,5 litra, sprzedawany w sklepach ze sprzętem radiowym);
kawałek filcu (szwalnia, około 150 rubli);
klej do przyklejenia filcu do dna pojemnika („Moment”, 150 rubli);
przezroczysty pojemnik, taki jak plastikowe akwarium z pokrywką (kupiliśmy twardy plastikowy pojemnik na żywność za 1,5 tysiąca rubli);
stojak na suchy lód, może to być kuweta fotograficzna (znajduje się w redakcyjnej kuchni);
Latarnia.

Eksperyment można obejrzeć na naszym filmie:

Jakie ślady można zobaczyć:

Magazyn Symetrii

Długie, wąskie ścieżki pozostawiają miony, ciężcy (i krótko żyjący) krewni elektronów. Powstają w obfitości w górnych warstwach atmosfery, kiedy wysokoenergetyczne cząstki zderzają się z atomami i tworzą całe deszcze cząstek, głównie mionów.

Jak w każdym eksperyment fizyczny, przy badaniu cząstek elementarnych jest to wymagane w pierwszej kolejności wkładać poeksperymentować, a potem rejestr jego wyniki. Akcelerator zajmuje się konfiguracją eksperymentu (zderzenia cząstek), a wyniki zderzeń są badane za pomocą detektory cząstek elementarnych.

Aby zrekonstruować obraz zderzenia, konieczne jest nie tylko ustalenie, jakie cząstki się narodziły, ale także bardzo dokładny pomiar ich charakterystyk, przede wszystkim trajektorii, pędu i energii. Wszystko to mierzone jest za pomocą różnego rodzaju detektorów, które koncentrycznie otaczają miejsce zderzenia cząstek.

Detektory cząstek elementarnych można podzielić na dwie grupy: detektory śladów, które mierzą trajektorię cząstek, oraz kalorymetry które mierzą ich energię. Detektory torowe starają się śledzić ruch cząstek bez wprowadzania jakichkolwiek zniekształceń. Z drugiej strony kalorymetry muszą całkowicie pochłonąć cząstkę, aby zmierzyć jej energię. W efekcie powstaje standardowy układ nowoczesnego detektora: wewnątrz znajduje się kilka warstw detektorów śladów, a na zewnątrz kilka warstw kalorymetrów, a także specjalne detektory mionowe. Forma ogólna typowy nowoczesny detektor pokazano na ryc. jeden.

Poniżej pokrótce opisano budowę i zasadę działania głównych elementów nowoczesnych detektorów. Nacisk kładziony jest na niektóre z najbardziej ogólne zasady wykrycie. Aby zapoznać się z konkretnymi detektorami działającymi w Wielkim Zderzaczu Hadronów, zobacz Detektory w LHC.

Detektory śladów

Detektory torów rekonstruują trajektorię cząstki. Znajdują się one zwykle w rejonie pola magnetycznego i wtedy pęd cząstki można określić na podstawie krzywizny trajektorii cząstki.

Praca detektorów śladów opiera się na fakcie, że przechodząca cząstka naładowana tworzy ślad jonizacji - czyli wybija elektrony z atomów na swojej drodze. W tym przypadku intensywność jonizacji zależy zarówno od rodzaju cząstki, jak i materiału detektora. Swobodne elektrony są zbierane przez elektronikę, której sygnał podaje współrzędne cząstek.

Detektor wierzchołków

szczyt(mikrowierzchołek, piksel) detektor- To wielowarstwowy detektor półprzewodnikowy, składający się z oddzielnych cienkich płytek z osadzoną bezpośrednio na nich elektroniką. Jest to najbardziej wewnętrzna warstwa detektorów: zwykle zaczyna się bezpośrednio na zewnątrz lampy (czasami pierwsza warstwa jest montowana bezpośrednio na zewnętrznej ściance lampy) i zajmuje pierwsze kilka centymetrów w kierunku promieniowym. Krzem wybierany jest najczęściej jako materiał półprzewodnikowy ze względu na jego wysoką odporność na promieniowanie (wewnętrzne warstwy detektora narażone są na ogromne dawki twardego promieniowania).

Zasadniczo detektor wierzchołków działa w taki sam sposób, jak czujnik aparatu cyfrowego. Kiedy naładowana cząsteczka przelatuje przez tę płytkę, pozostawia w niej ślad - chmurę jonizacyjną o wielkości kilkudziesięciu mikronów. Ta jonizacja jest odczytywana przez element elektroniczny bezpośrednio pod pikselem. Znając współrzędne punktów przecięcia cząstki z kilkoma kolejnymi pikselowymi płytkami detektora, można zrekonstruować trójwymiarowe trajektorie cząstek i prześledzić je z powrotem do wnętrza rury. Poprzez przecięcie tak zrekonstruowanych trajektorii w pewnym punkcie przestrzeni, wierzchołek- moment, w którym narodziły się te cząstki.

Niekiedy okazuje się, że takich wierzchołków jest kilka, a jeden z nich zwykle leży bezpośrednio na osi zderzenia belek kolidujących (wierzchołek pierwotny), a drugi znajduje się w pewnej odległości. Zwykle oznacza to, że protony zderzyły się w głównym wierzchołku i natychmiast dały początek kilku cząstkom, ale niektórym z nich udało się przelecieć pewną odległość, zanim rozpadły się na cząstki potomne.

W nowoczesnych detektorach dokładność rekonstrukcji wierzchołków sięga 10 mikronów. Umożliwia to wiarygodną rejestrację przypadków, w których wierzchołki wtórne są oddalone o 100 mikronów od osi kolizji. Właśnie na takie odległości odlatują różne metastabilne hadrony, które mają w swoim składzie kwark c lub b (tzw. hadrony „zaczarowane” i „czarujące”). Dlatego detektor wierzchołków jest niezbędne narzędzie detektor LHCb, którego głównym zadaniem będzie badanie tych hadronów.

Półprzewodniki działają na podobnej zasadzie. detektory mikropaskowe, w którym zamiast małych pikseli zastosowano najcieńsze, ale dość długie paski wrażliwego materiału. W nich jonizacja nie osiada od razu, ale przesuwa się wzdłuż paska i jest odczytywana na jego końcu. Paski zaprojektowano w taki sposób, aby prędkość przemieszczania się chmury ładunku wzdłuż niej była stała i nie rozmywała się. Dlatego znając moment, w którym ładunek dociera do elementu odczytującego, można obliczyć współrzędne punktu, w którym naładowana cząstka przebiła pasek. Rozdzielczość przestrzenna detektorów mikropaskowych jest gorsza niż detektorów pikselowych, ale mogą obejmować znacznie więcej o duży obszar, ponieważ nie wymagają takich duża liczba elementy do czytania.

Kamery dryfowe

Kamery dryfowe- Są to komory wypełnione gazem, które są umieszczane na zewnątrz półprzewodnikowych detektorów torowych, gdzie poziom promieniowania jest stosunkowo niski i nie jest wymagana tak wysoka dokładność wyznaczania pozycji, jak w przypadku detektorów półprzewodnikowych.

Klasyczna komora dryfująca to rura wypełniona gazem, wewnątrz której rozciągniętych jest wiele bardzo cienkich drutów. Działa jak detektor wierzchołków, ale nie na płaskiej płycie, ale w objętości. Wszystkie przewody są napięte, a ich ułożenie jest tak dobrane, aby jednolita pole elektryczne. Kiedy naładowana cząsteczka przelatuje przez komorę gazową, pozostawia przestrzenny ślad jonizacji. Pod wpływem pole elektryczne jonizacja (przede wszystkim elektrony) porusza się ze stałą prędkością (fizycy mówią „dryfuje”) wzdłuż linii pola w kierunku drutów anodowych. Po dojściu do krawędzi komory jonizacja jest natychmiast absorbowana przez elektronikę, która przesyła impuls sygnałowy na wyjście. Ponieważ elementów odczytowych jest bardzo dużo, sygnały z nich można wykorzystać do odtworzenia z dobrą dokładnością współrzędnych przechodzącej cząstki, a co za tym idzie trajektorii.

Zwykle ilość jonizacji, która tworzy Komora gazowa przechodząca cząstka jest mała. W celu zwiększenia niezawodności odbioru i rejestracji ładunku oraz zmniejszenia błędu w jego pomiarze konieczne jest wzmocnienie sygnału jeszcze przed jego zarejestrowaniem przez elektronikę. Odbywa się to za pomocą specjalnej sieci przewodów anodowych i katodowych rozciągniętych w pobliżu sprzętu do czytania. Przechodząc w pobliżu drutu anodowego, chmura elektronów generuje na nim lawinę, w wyniku której następuje zwielokrotnienie sygnału elektronicznego.

Im silniejsze pole magnetyczne i im większe wymiary samego detektora, tym silniej trajektoria cząstki odchyla się od linii prostej, co oznacza, że im pewniej można zmierzyć promień jej krzywizny i z tego odtworzyć pęd cząstki. Dlatego do badania reakcji z cząstkami o bardzo wysokich energiach, setkach GeV i TeV, pożądane jest zbudowanie większych detektorów i zastosowanie pola magnetyczne silniejszy. Ze względów czysto inżynierskich zwykle możliwe jest zwiększenie tylko jednej z tych wartości kosztem drugiej. Dwa największe detektory w LHC – ATLAS i CMS – różnią się tylko tym, która z tych wartości jest zoptymalizowana. Przy detektorze ATLAS większe rozmiary, ale mniejsze pole, podczas gdy detektor CMS ma silniejsze pole, ale generalnie jest bardziej zwarty.

Kamera do projekcji czasu

Specjalnym rodzajem komory dryfowej jest tzw. kamera do projekcji czasu(VPK). W rzeczywistości VPK jest jedną dużą, kilkumetrową, cylindryczną komórką dryfującą. W całej jego objętości wzdłuż osi cylindra powstaje równomierne pole elektryczne. Cały wirujący ślad jonizacji, który cząstki pozostawiają podczas przelotu przez tę komorę, dryfuje równomiernie do końców cylindra, zachowując swój przestrzenny kształt. Trajektorie są niejako „rzutowane” na końce komory, gdzie duża tablica odczytów rejestruje nadejście ładunku. Współrzędne promieniowe i kątowe są określone przez numer czujnika, a współrzędna wzdłuż osi cylindra jest określona przez czas nadejścia sygnału. Dzięki temu możliwe jest przywrócenie trójwymiarowego obrazu ruchu cząstek.

Wśród eksperymentów prowadzonych w LHC detektor ALICE wykorzystuje kamerę projekcji czasu.

Wykrywacze rzymskich garnków

Istnieje specjalny rodzaj półprzewodnikowych detektorów pikseli, które działają bezpośrednio wewnątrz rury próżniowej, w bliskiej odległości od belki. Zostały one po raz pierwszy zaproponowane w latach 70. przez grupę badawczą z Rzymu i od tego czasu stały się znane jako garnki rzymskie(„Garnki rzymskie”).

Detektory Roman Pots zostały zaprojektowane do wykrywania cząstek odchylonych o bardzo małe kąty podczas zderzenia. Konwencjonalne detektory umieszczone na zewnątrz lampy próżniowej nie nadają się tutaj po prostu dlatego, że cząsteczka wyemitowana pod bardzo małym kątem może lecieć wiele kilometrów wewnątrz lampy, obracając się wraz z główną wiązką i nie uciekając. W celu zarejestrowania takich cząstek konieczne jest umieszczenie małych detektorów wewnątrz rury próżniowej w poprzek osi wiązki, ale bez dotykania samej wiązki.

Aby to zrobić, na pewnym odcinku pierścienia przyspieszającego, zwykle w odległości kilkuset metrów od miejsca zderzenia zderzających się wiązek, wstawiany jest specjalny odcinek rury próżniowej z poprzecznymi „tulejami”. Na platformach mobilnych umieszcza się w nich małe, kilkucentymetrowe detektory pikseli. Kiedy wiązka jest właśnie wstrzykiwana, nadal jest niestabilna i ma dużą drgania poprzeczne. Detektory w tym czasie są ukryte wewnątrz rękawów, aby uniknąć uszkodzenia w wyniku bezpośredniego uderzenia wiązki. Po ustabilizowaniu się wiązki platformy wysuwają się z ramion i przesuwają czułe matryce detektorów Roman Pots w bliskiej odległości od wiązki, na odległość 1-2 milimetrów. Pod koniec następnego cyklu akceleratora, przed odrzuceniem starej wiązki i wprowadzeniem nowej, detektory są wciągane z powrotem w ramiona i czekają na następną sesję działania.

Detektory pikselowe stosowane w Roman Pots różnią się od konwencjonalnych detektorów wierzchołkowych tym, że maksymalizują część powierzchni płytki zajmowaną przez elementy czujnikowe. W szczególności na krawędzi płyty, która jest najbliżej belki, praktycznie nie ma niewrażliwej „martwej” strefy ( „bez krawędzi”-technologia).

Jeden z eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów, TOTEM, będzie wykorzystywał tylko kilka takich detektorów. Kilka innych podobnych projektów jest w trakcie opracowywania. Detektor wierzchołków eksperymentu LHCb również zawiera pewne elementy tej technologii.

Więcej na temat tych detektorów można przeczytać w artykule CERN Courier Garnki rzymskie do LHC lub w dokumentacji technicznej eksperymentu TOTEM.

Kalorymetry

Kalorymetry mierzą energię cząstek elementarnych. Aby to zrobić, wejdź na ścieżkę cząstek gruba warstwa gęsta substancja (zwykle metal ciężki - ołów, żelazo, mosiądz). Znajdująca się w nim cząsteczka zderza się z elektronami lub jądrami atomowymi i w efekcie generuje strumień cząstek wtórnych - kabina prysznicowa. Energia początkowej cząstki jest rozdzielona między wszystkie cząstki deszczu, tak że energia każdej pojedynczej cząstki w tym deszczu staje się mała. W efekcie prysznic ugrzęzł w grubości substancji, jej cząsteczki zostają wchłonięte i unicestwione, a pewna, dość zdecydowana część energii jest uwalniana w postaci światła. Ten błysk światła jest zbierany na końcach kalorymetru przez fotopowielacze, które przekształcają go w impuls elektryczny. Ponadto energię prysznica można zmierzyć, zbierając jonizację wrażliwymi płytkami.

Elektrony i fotony przechodząc przez materię zderzają się głównie z powłoki elektronowe atomów i generują prysznic elektromagnetyczny - strumień dużej liczby elektronów, pozytonów i fotonów. Takie deszcze rozwijają się szybko na płytkich głębokościach i są zwykle pochłaniane przez warstwę materii o grubości kilkudziesięciu centymetrów. Hadrony o wysokiej energii (protony, neutrony, mezony pi i mezony K) tracą energię głównie w wyniku zderzeń z jądrami. W tym przypadku generowany jest deszcz hadronów, który wnika znacznie głębiej w grubość materii niż elektromagnetyczny, a poza tym jest szerszy. Dlatego, aby całkowicie wchłonąć deszcz hadronowy z cząstki o bardzo wysokiej energii, potrzebny jest jeden lub dwa metry materii.

Różnica między charakterystykami pęków elektromagnetycznych i hadronów jest maksymalnie wykorzystywana we współczesnych detektorach. Kalorymetry są często dwuwarstwowe: wewnątrz znajdują się kalorymetry elektromagnetyczne, w którym pochłaniane są głównie prysznice elektromagnetyczne, a na zewnątrz - kalorymetry hadronowe, do których „osiągają” tylko prysznice hadronów. Tak więc kalorymetry nie tylko mierzą energię, ale także określają „rodzaj energii” - czy jest ona pochodzenia elektromagnetycznego, czy hadronowego. Jest to bardzo ważne dla prawidłowe zrozumienie wystąpił w środku detektora kolizji protonów.

Aby zarejestrować prysznic za pomocą środków optycznych, materiał kalorymetru musi mieć właściwości scyntylacyjne. W scyntylator fotony o jednej długości fali są bardzo skutecznie pochłaniane, co prowadzi do wzbudzenia cząsteczek substancji, a to wzbudzenie jest usuwane poprzez emisję fotonów o niższej energii. Dla emitowanych fotonów scyntylator jest już przezroczysty i dlatego mogą dotrzeć do krawędzi komórki kalorymetrycznej. Kalorymetry wykorzystują standardowe, od dawna badane scyntylatory, dla których dobrze wiadomo, jaka część energii początkowej cząstki jest zamieniana na błysk optyczny.

Aby skutecznie wchłaniać prysznice, konieczne jest użycie możliwie gęstej substancji. Istnieją dwa sposoby pogodzenia tego wymagania z wymaganiami dla scyntylatorów. W pierwszej kolejności można wybrać bardzo ciężkie scyntylatory i napełnić nimi kalorymetr. Po drugie, możliwe jest wykonanie "zaciągnięcia" naprzemiennych płytek ciężkiej substancji i lekkiego scyntylatora. Istnieją również bardziej egzotyczne wersje konstrukcji kalorymetru, na przykład kalorymetry „spaghetti”, w których wiele cienkich włókien kwarcowych jest osadzonych w masywnej matrycy absorbera.Rozwijający się wzdłuż takiego kalorymetru prysznic wytwarza w kwarcu światło Czerenkowa, które jest wyprowadzany przez włókna do końca kalorymetru.

Dokładność odtwarzania energii cząstki w kalorymetrze poprawia się wraz ze wzrostem energii. W przypadku cząstek o energiach setek GeV błąd wynosi około jednego procenta dla kalorymetrów elektromagnetycznych i kilka procent dla kalorymetrów hadronowych.

Komory mionowe

Charakterystyczną cechą mionów jest to, że w miarę przemieszczania się przez materię tracą energię bardzo powoli. Wynika to z faktu, że z jednej strony są one bardzo ciężkie, przez co nie mogą skutecznie przekazywać energii elektronom w zderzeniu, a z drugiej nie uczestniczą w oddziaływaniu silnym, przez co są słabo rozpraszane przez jądra. W rezultacie miony mogą przelecieć wiele metrów materii, zanim się zatrzymają, przenikając tam, gdzie nie mogą dotrzeć żadne inne cząstki.

To z jednej strony uniemożliwia pomiar energii mionów za pomocą kalorymetrów (w końcu mion nie może być całkowicie wchłonięty), ale z drugiej strony umożliwia dobre odróżnienie mionów od innych cząstek. W nowoczesnych detektorach komory mionowe znajduje się w najbardziej zewnętrznych warstwach detektora, często nawet poza masywnym metalowym jarzmem, które wytwarza w detektorze pole magnetyczne. Takie rurki mierzą nie energię, ale pęd mionów, a jednocześnie można z dużą dozą pewności założyć, że te cząstki to właśnie miony, a nie cokolwiek innego. Istnieje kilka odmian komór mionowych używanych do różnych celów.

Identyfikacja cząstek

Osobną kwestią jest identyfikacja cząstek, to znaczy dowiedzieć się, jaki rodzaj cząstki przeleciał przez detektor. Nie byłoby to trudne, gdybyśmy znali masę cząstki, ale właśnie tego zwykle nie znamy. Z jednej strony masę można w zasadzie obliczyć korzystając ze wzorów kinematyki relatywistycznej, znając energię i pęd cząstki, ale niestety błędy w ich pomiarach są zwykle tak duże, że nie pozwalają na rozróżnienie np. , mezon pi z mionu ze względu na bliskość wt.

W tej sytuacji istnieją cztery główne metody identyfikacji cząstek:

Przez odpowiedź w różne rodzaje kalorymetry i rurki mionowe.
Przez uwalnianie energii w wykrywaczach śladów. Różne cząstki wytwarzają różne ilości jonizacji na centymetr drogi, co można zmierzyć na podstawie siły sygnału z detektorów toru.
Przez Liczniki Czerenkowa. Jeśli cząsteczka przelatuje przez przezroczysty materiał o współczynniku załamania n z prędkością większą niż prędkość światła w tym materiale (tj. większa niż c/n), emituje wówczas promieniowanie Czerenkowa w ściśle określonych kierunkach. Jeśli weźmiemy aerożel jako substancję detektora (typowy współczynnik załamania n= 1,03), to promieniowanie Czerenkowa z cząstek poruszających się z prędkością 0,99 C i 0,995 C, będą się znacznie różnić.
Przez kamery rejestrujące czas lotu. W nich za pomocą detektorów o bardzo wysokiej rozdzielczości czasowej mierzony jest czas przelotu cząstki w określonym odcinku komory iz tego obliczana jest jej prędkość.

Każda z tych metod ma swoje własne trudności i błędy, więc identyfikacja cząstek zwykle nie gwarantuje poprawności. Czasami program do przetwarzania „surowych” danych z detektora może dojść do wniosku, że przez detektor przeleciał mion, choć w rzeczywistości był to pion. Takich błędów nie da się całkowicie pozbyć. Pozostaje tylko dokładnie przestudiować detektor przed przystąpieniem do pracy (np. za pomocą mionów kosmicznych), ustalić procent przypadków nieprawidłowej identyfikacji cząstek i zawsze brać to pod uwagę przy przetwarzaniu rzeczywistych danych.

Wymagania dotyczące detektorów

Współczesne detektory cząstek są czasami określane jako „więksi bracia” aparatów cyfrowych. Warto jednak pamiętać, że warunki pracy kamery i detektora są zasadniczo różne.

Przede wszystkim wszystkie elementy detektora muszą być: bardzo szybki i bardzo precyzyjnie ze sobą zsynchronizowane. W Wielkim Zderzaczu Hadronów, przy szczytowej wydajności, wiązki zderzają się 40 milionów razy na sekundę. W każdym zderzeniu nastąpią narodziny cząstek, które pozostawią swój „obraz” w detektorze, a detektor nie może się „zadławić” tym strumieniem „obrazów”. W efekcie w ciągu 25 nanosekund konieczne jest zebranie całej jonizacji pozostawionej przez latające cząstki, przekształcenie jej w sygnały elektryczne i wyczyszczenie detektora, przygotowując go na kolejną porcję cząstek. W ciągu 25 nanosekund cząstki przelatują tylko 7,5 metra, co jest porównywalne z rozmiarami dużych detektorów. Podczas gdy jonizacja z przelatujących cząstek gromadzi się w zewnętrznych warstwach detektora, cząstki z kolejnego zderzenia przelatują już przez jego wewnętrzne warstwy!

Drugim kluczowym wymaganiem dla detektora jest: odporność na promieniowanie. Cząstki elementarne odlatujące z miejsca zderzenia wiązek są promieniowaniem rzeczywistym i bardzo twardym. Na przykład oczekiwana pochłonięta dawka promieniowania jonizującego, którą detektor wierzchołkowy otrzyma podczas pracy, wynosi 300 kilograjów plus całkowity strumień neutronów wynoszący 5,10 14 neutronów na cm2. W takich warunkach detektor powinien działać przez lata i nadal być sprawny. Dotyczy to nie tylko materiałów samego detektora, ale także elektroniki, którą jest wypchany. Kilka lat zajęło stworzenie i przetestowanie elektroniki odpornej na uszkodzenia, która będzie działać w tak trudnych warunkach promieniowania.

Kolejne wymaganie dotyczące elektroniki - niska moc wyjściowa. Wewnątrz detektorów wielometrowych nie ma wolnej przestrzeni - każdy centymetr sześcienny objętości wypełniony jest przydatnym sprzętem. System chłodzenia nieuchronnie zabiera detektorowi objętość roboczą - w końcu, jeśli cząsteczka przeleci bezpośrednio przez rurkę chłodzącą, po prostu nie zostanie zarejestrowana. Dlatego uwalnianie energii z elektroniki (setki tysięcy oddzielnych płytek i przewodów pobierających informacje ze wszystkich elementów detektora) powinno być minimalne.

Dodatkowa literatura:

K. Groupen. „Elementarne detektory cząstek” // Chronograf syberyjski, Nowosybirsk, 1999.
Detektory cząstek (PDF, 1,8 Mb).
Detektory cząstek // rozdział z przewodnik do nauki B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. „Cząstki i jądra. Eksperyment". M.: Wydawnictwo Uniwersytetu Moskiewskiego, 2005.
N.M. Nikityuk. Precyzyjne detektory mikrowierzchołkowe (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, vol. 28, no. 1, s. 191-242 (1997).

W rozdz. XXIII zapoznaliśmy się z urządzeniami służącymi do wykrywania mikrocząstek - komorą mgłową, licznikiem scyntylacyjnym, licznikiem gazowo-wyładowczym. Chociaż detektory te są używane w badaniach cząstek elementarnych, nie zawsze są wygodne. Faktem jest, że najciekawsze procesy oddziaływania, którym towarzyszą wzajemne przemiany cząstek elementarnych, zachodzą bardzo rzadko. Cząstka musi spotkać na swojej drodze wiele nukleonów lub elektronów, aby doszło do interesującej kolizji. W praktyce musi przejść drogę mierzoną w dziesiątkach centymetrów – metrów w gęstej materii (na takiej drodze naładowana cząstka o energii miliardów elektronowoltów traci tylko część swojej energii na skutek jonizacji).

Jednak w komorze mgłowej lub liczniku wyładowań gazowych wrażliwa warstwa (w sensie gęstej substancji) jest niezwykle cienka. W związku z tym zastosowano inne metody wykrywania cząstek.

Metoda fotograficzna okazała się bardzo owocna. W specjalnych drobnoziarnistych emulsjach fotograficznych każda naładowana cząsteczka przechodząca przez emulsję pozostawia ślad, który po wywołaniu kliszy jest wykrywany pod mikroskopem w postaci łańcucha czarnych ziaren. Charakter śladu pozostawionego przez cząstkę w fotograficznej emulsji pozwala określić charakter tej cząstki – jej ładunek, masę i energię. Metoda fotograficzna jest wygodna nie tylko ze względu na możliwość zastosowania grubych materiałów, ale również dlatego, że w kliszy fotograficznej, w przeciwieństwie do komory mgłowej, ślady naładowanych cząstek nie znikają zaraz po przejściu cząstki. Podczas badania rzadkich zdarzeń mogą zostać ujawnione zapisy długi czas; jest to szczególnie przydatne w badaniach promieniowania kosmicznego. Przykłady rzadkich zdarzeń uchwyconych w emulsji fotograficznej pokazano powyżej na ryc. 414, 415; Fot. jest szczególnie interesujący. 418.

Inna godna uwagi metoda opiera się na wykorzystaniu właściwości przegrzanych cieczy (zob. tom I, § 299). Gdy bardzo czysta ciecz zostanie podgrzana do temperatury nawet nieco powyżej temperatury wrzenia, ciecz nie wrze, ponieważ napięcie powierzchniowe zapobiega tworzeniu się pęcherzyków pary. Amerykański fizyk Donald Glaeser (ur. 1926) zauważył w 1952 r., że przegrzana ciecz natychmiast wrze, gdy zostanie wystarczająco intensywnie napromieniowana; dodatkowa energia uwolniona w śladach szybkich elektronów wytworzonych w cieczy przez promieniowanie zapewnia warunki do tworzenia się pęcherzyków.

W oparciu o to zjawisko Glaeser opracował tzw. komorę pęcherzyków cieczy. Ciecz w wysokie ciśnienie krwi podgrzany do temperatury bliskiej, ale niższej od temperatury wrzenia. Następnie ciśnienie, a wraz z nim temperatura wrzenia spada, a ciecz ulega przegrzaniu. Na trajektorii naładowanej cząstki przechodzącej przez ciecz w tym momencie tworzy się ślad pęcherzyków pary. Przy odpowiednim oświetleniu można go uchwycić kamerą. Z reguły komory pęcherzykowe znajdują się między biegunami silnego elektromagnesu, pole magnetyczne ugina trajektorie cząstek. Mierząc długość toru cząstki, promień jej krzywizny i gęstość pęcherzyków, można ustalić charakterystykę cząstki. Teraz komory bąbelkowe osiągnęły wysoki poziom doskonałości; pracują na przykład komory wypełnione ciekłym wodorem o wrażliwej objętości kilku metrów sześciennych. Przykładowe fotografie śladów cząstek w komorze pęcherzykowej pokazano na ryc. 416, 417, 419, 420.

Ryż. 418. Przemiany cząstek zarejestrowanych w stosie emulsji fotograficznych naświetlonych promieniami kosmicznymi. W pewnym momencie niewidzialna szybka obojętna cząstka spowodowała rozszczepienie jednego z jąder emulsji i utworzyła mezony ("gwiazdę" z 21 torów). Jeden z mezonów, mezon -, po przebyciu ścieżki dookoła (na fotografii pokazano tylko początek i koniec śladu; przy zastosowanym powiększeniu na zdjęciu długość całego śladu wynosiłaby ), zatrzymał się na punkt i rozpadło się zgodnie ze schematem . -mezon, którego ślad jest skierowany w dół, został wychwycony przez jądro w punkcie, powodując jego rozszczepienie. Jednym z fragmentów rozszczepienia było jądro, które w wyniku rozpadu przekształciło się w jądro, natychmiast rozpadając się na dwie cząstki lecące w przeciwnych kierunkach – na zdjęciu tworzą „młot”. -mezon, zatrzymawszy się, zamienił się w -mion (i neutrino) (punkt). Koniec śladu -mion znajduje się po prawej stronie górny róg rysunek; widoczny jest ślad powstałego podczas rozpadu pozytonu.

Ryż. 419. Powstawanie i rozpad -hiperonów. W komorze pęcherzykowej wodoru w polu magnetycznym i napromieniowanej antyprotonami reakcja . Nastąpiło to w końcowym punkcie szlaku (patrz schemat na górze rysunku). Neutralne hiperony lambda i antylambda, po przebyciu krótkiego dystansu bez tworzenia śladu, rozpadają się zgodnie ze schematami. Antyproton anihiluje z protonem, tworząc na protonie dwu- i dwumezonowy kwant; proton nie widoczny ślad, ponieważ ze względu na dużą masę nie otrzymuje wystarczającej energii podczas interakcji z kwantem