Detectoare de particule. Principii fizice de detectare a particulelor elementare

Detectoarele de particule „adevărate”, precum cele de la Large Hadron Collider, costă milioane de dolari și cântăresc sute de tone, dar vom încerca să ne descurcăm cu un buget mult mai modest.

Noi vom avea nevoie:

gheață uscată (aproximativ 80 de ruble pe kilogram, este indicat să cumpărați un recipient termic din plastic spumă pentru încă 300 de ruble - altfel tot ce ați cumpărat se va evapora prea repede). Nu este nevoie de multă gheață carbonică, este suficient un kilogram;
alcool izopropilic (cost 370 de ruble per 0,5 litri, vândut în magazinele de echipamente radio);
o bucată de pâslă (magazin de cusut, aproximativ 150 de ruble);
adeziv pentru a lipi pâsla pe fundul recipientului („Moment”, 150 de ruble);
un recipient transparent, cum ar fi un acvariu de plastic cu capac (am cumpărat un recipient pentru alimente din plastic dur pentru 1,5 mii de ruble);
suport pentru gheata carbonica, poate fi o cuva fotografica (se gaseste in bucataria editoriala);
lanternă.

Asadar, haideti sa începem. Mai întâi trebuie să lipiți o bucată de pâslă pe fundul recipientului și să așteptați câteva ore pentru ca lipiciul să se usuce. După aceea, pâsla trebuie să fie înmuiată în alcool izopropilic (asigură-te că alcoolul nu îți intră în ochi!). Este de dorit ca pâsla să fie complet saturată cu alcool, restul căruia trebuie apoi scurs. Apoi turnați gheață uscată pe fundul cuvei, închideți recipientul cu un capac și puneți-l în gheață uscată cu capacul în jos. Acum trebuie să așteptați ca aerul din interiorul camerei să fie saturat cu vapori de alcool.

Principiul de funcționare al camerei de nor (alias „cameră de ceață”) este că chiar și un impact foarte slab face ca vaporii saturati de alcool să se condenseze. Ca rezultat, chiar și impactul particulelor cosmice face ca vaporii să se condenseze, iar în cameră se formează lanțuri de picături microscopice - urme.

Puteți urmări experimentul în videoclipul nostru:

Câteva note din experiență: nu ar trebui să cumpărați prea multă gheață carbonică - se va evapora complet în mai puțin de o zi chiar și în recipientul lor termic și este puțin probabil să găsiți un frigider industrial. Este necesar ca capacul recipientului transparent să fie negru, de exemplu, îl puteți închide de jos cu sticlă neagră. Urmele vor fi văzute mai bine pe un fundal negru. Trebuie să te uiți exact la fundul recipientului, unde se formează o ceață caracteristică, asemănătoare cu ploaia burniță. În această ceață apar urmele de particule.

Ce piese pot fi văzute:

Acestea nu sunt particule cosmice. Urmele scurte și groase sunt urme de particule alfa emise de atomii gazului radioactiv radon, care se scurge continuu din intestinele Pământului (și se acumulează în încăperi neaerisite).

Urme lungi și înguste sunt lăsate de muoni, rudele grele (și de scurtă durată) ale electronilor. Se nasc în mulțimi straturile superioare atmosferă, când particulele de înaltă energie se ciocnesc cu atomii și dau naștere unor ploaie întregi de particule, constând în mare parte din muoni.

Traiectorii curbate sunt un semn al electronilor sau al antiparticulelor lor, pozitronii. Ele sunt, de asemenea, generate de razele cosmice, se ciocnesc cu moleculele de aer și se pot mișca în zig-zag.

Dacă ai văzut urme bifurcându-se, atunci ești norocos: ai asistat la descompunerea unei particule în două.

Ți-a plăcut? Abonați-vă la N+1 la

Pe 29 aprilie, seara târziu (reprogramat deocamdată), NASA lansează detectorul Cern pe orbită particule elementare AMS-02. Acest detector a fost construit de 10 ani, „frații” săi mai mari lucrează deja cu putere la Large Hadron Collider, adică în subteran, iar acesta va zbura în spațiu! :)

Iată comunicatul de presă al cern, iată streamul live al lansării începând cu ora 21:30 CET, cern twitter va trimite si rapoarte. Lansarea și toate lucrările ulterioare pot fi urmărite pe site-ul web al experimentului. Între timp, voi vorbi pe scurt despre dispozitiv și sarcini științifice.

AMS-02 este un adevărat detector de particule elementare cu (aproape) toate atributele sale. Dimensiunea sa este de 4 metri, greutatea este de 8,5 tone. Desigur, nu poate fi comparat cu un astfel de colos precum ATLAS, dar pentru lansarea în spațiu (și instalarea pe ISS) acest lucru nu este suficient.

Dacă detectoarele subterane înregistrează particule născute în timpul unei coliziuni provocate de om de protoni și alte particule, atunci AMS-02 va înregistra raze cosmice - particule de energii foarte mari care vin la noi din spațiul profund, dispersate pe „acceleratoare naturale”. Razele cosmice, desigur, au fost studiate de mult timp, aproape un secol, dar multe mistere sunt încă asociate cu ele.

Cea mai importantă sarcină a noului detector este măsurarea compoziției razelor cosmice cu o precizie ultra-înaltă. Care este proporția de antimaterie în razele cosmice? Cum se schimbă cu energia? Există noi particule grele stabile (particule de materie întunecată) în cantități mici care nu pot fi născute la ciocnitori, dar cărora Universul a fost capabil să le dea naștere? Sau poate că unele trăsături subtile din spectrul energetic al particulelor obișnuite vor indica că acestea au fost produse prin dezintegrarea unor particule supergrele necunoscute până acum?

AMS-02 va studia aceste probleme prin înregistrarea trecerii particulelor de raze cosmice prin materialul detector și măsurarea impulsului, vitezei, eliberării de energie și încărcării acestora. „Fereastra” de sensibilitate optimă a detectorului în ceea ce privește energia particulelor este de la aproximativ 1 GeV la câțiva TeV. Această fereastră acoperă predicțiile multor modele și, de asemenea, se suprapune cu ferestrele de sensibilitate ale detectorilor de la LHC. Dar, spre deosebire de Large Hadron Collider, aici universul însuși acționează ca un accelerator, iar acest lucru poate avea consecințe de amploare.

Subdetectoare și subsisteme AMS-02 ().

La fel ca detectoarele clasice de sol (mai precis, subterane), acesta conține mai multe sisteme de detecție separate simultan, care măsoară caracteristici diferite particule. Doar spre deosebire de ei, AMS-02 nu se uită „înăuntru”, ci „se uită afară”; arată mai mult ca un segment al unui detector modern avansat.

Dispozitivul este descris pe scurt pe locul experimentului. Există, de asemenea, detectoare de urme care restabilesc traiectoria, detectoare Cherenkov care măsoară viteza particulelor, calorimetre electromagnetice care măsoară energia particulelor și alte sisteme. Doi magneți diferiți vor separa sarcini diferite simultan (am mințit). Se va separa taxele magnet permanent Aliaj de neodim de 0,125 Tesla. Și în plus, AMS-02 are ceva ce detectoarele subterane nu au - senzori GPS și un sistem de urmărire a stelelor :)

Toate acestea au fost construite timp de 10 ani, costul este de aproximativ 1,5 gigadolari. Colaborarea AMS include 56 de instituții din 16 țări.

Principalul lucru este că acum acest lucru a zburat cu succes. Mâine seară vom urmări lansarea!

Zeci de mii de particule elementare din spațiu zboară prin corpul nostru în fiecare secundă - muoni, electroni, neutrini și așa mai departe. Nu le simțim și nu le vedem, dar asta nu înseamnă că nu există. Nu înseamnă că nu pot fi reparate. Oferim cititorilor N+1 asamblați cu propriile mâini un dispozitiv care vă va permite să „vedeți” această ploaie cosmică continuă.

Noi vom avea nevoie:

gheață uscată (aproximativ 80 de ruble pe kilogram, este indicat să cumpărați un recipient termic din plastic spumă pentru încă 300 de ruble - altfel tot ce ați cumpărat se va evapora prea repede). Nu este nevoie de multă gheață carbonică, este suficient un kilogram;
alcool izopropilic (cost 370 de ruble per 0,5 litri, vândut în magazinele de echipamente radio);
o bucată de pâslă (magazin de cusut, aproximativ 150 de ruble);
adeziv pentru a lipi pâsla pe fundul recipientului („Moment”, 150 de ruble);
un recipient transparent, cum ar fi un acvariu de plastic cu capac (am cumpărat un recipient pentru alimente din plastic dur pentru 1,5 mii de ruble);
suport pentru gheata carbonica, poate fi o cuva fotografica (se gaseste in bucataria editoriala);
lanternă.

Puteți urmări experimentul în videoclipul nostru:

Ce piese pot fi văzute:

Revista Simetrie

Urme lungi și înguste sunt lăsate de muoni, rudele grele (și de scurtă durată) ale electronilor. Ele sunt produse din abundență în atmosfera superioară atunci când particulele de înaltă energie se ciocnesc cu atomii și creează ploaie întregi de particule, mai ales muoni.

Ca în oricare experiment fizic, atunci când se studiază particulele elementare, este necesar mai întâi a pune experiment și apoi Inregistreaza-te rezultatele lui. Acceleratorul este angajat în configurarea experimentului (coliziune de particule), iar rezultatele coliziunilor sunt studiate folosind detectoare de particule elementare.

Pentru a reconstrui imaginea coliziunii, este necesar nu numai să se afle ce particule s-au născut, ci și să se măsoare caracteristicile lor cu mare precizie, în primul rând traiectoria, impulsul și energia. Toate acestea sunt măsurate folosind diferite tipuri de detectoare, care înconjoară locul ciocnirii particulelor în straturi concentrice.

Detectoarele de particule elementare pot fi împărțite în două grupe: detectoare de urme, care măsoară traiectoria particulelor și calorimetre care le măsoară energiile. Detectoarele de urmărire încearcă să urmărească mișcarea particulelor fără a introduce nicio distorsiune. Calorimetrele, pe de altă parte, trebuie să absoarbă complet o particulă pentru a-i măsura energia. Ca rezultat, apare un aspect standard al unui detector modern: în interior există mai multe straturi de detectoare de urmărire, iar în exterior - mai multe straturi de calorimetre, precum și speciale detectoare de muoni. Forma generală un detector tipic modern este prezentat în fig. unu.

Structura și principiul de funcționare a principalelor componente ale detectoarelor moderne sunt descrise pe scurt mai jos. Accentul se pune pe unele dintre cele mai multe principii generale detectare. Pentru detectoare specifice care funcționează la Large Hadron Collider, consultați Detectoare de la LHC.

Detectoare de urme

Detectoarele de urmărire reconstruiesc traiectoria particulei. Ele sunt de obicei localizate în regiunea câmpului magnetic, iar apoi impulsul particulei poate fi determinat din curbura traiectoriei particulei.

Lucrarea detectorilor de urme se bazează pe faptul că o particulă încărcată care trece creează o urmă de ionizare - adică scoate electronii din atomii din calea sa. În acest caz, intensitatea ionizării depinde atât de tipul de particule, cât și de materialul detectorului. Electronii liberi sunt colectați de electronică, semnalul din care raportează coordonatele particulelor.

Detector de vârfuri

vârf(microvertex, pixel) detector- Acesta este un detector cu semiconductor multistrat, format din plăci subțiri separate cu electronice depuse direct pe acestea. Acesta este cel mai interior strat de detectoare: de obicei începe imediat în afara tubului de vid (uneori primul strat este montat direct pe peretele exterior al tubului de vid) și ocupă primii câțiva centimetri în direcția radială. Siliciul este de obicei ales ca material semiconductor datorită rezistenței sale mari la radiații (straturile interioare ale detectorului sunt expuse la doze uriașe de radiații dure).

În esență, detectorul de vârfuri funcționează în același mod ca un senzor de cameră digitală. Când o particulă încărcată zboară prin această placă, ea lasă o urmă în ea - un nor de ionizare de câteva zeci de microni. Această ionizare este citită de elementul electronic direct sub pixel. Cunoscând coordonatele punctelor de intersecție ale unei particule cu mai multe plăci detectoare de pixeli consecutive, este posibil să se reconstituie traiectoriile tridimensionale ale particulelor și să le urmărească înapoi în interiorul conductei. Prin intersecția unor astfel de traiectorii reconstruite la un anumit punct din spațiu, vârf- punctul în care s-au născut aceste particule.

Uneori se dovedește că există mai multe astfel de vârfuri, iar unul dintre ele se află, de obicei, direct pe axa de coliziune a grinzilor care se ciocnesc (vârful primar), iar al doilea este la distanță. Aceasta înseamnă, de obicei, că protonii s-au ciocnit la vârful primar și au dat naștere imediat la mai multe particule, dar unele dintre ele au reușit să zboare la o anumită distanță înainte de a se degrada în particule copil.

La detectoarele moderne, precizia reconstrucției vârfurilor ajunge la 10 microni. Acest lucru face posibilă înregistrarea fiabilă a cazurilor când vârfurile secundare sunt la 100 de microni distanță de axa de coliziune. Tocmai la asemenea distanțe zboară diverși hadroni metastabili, care au în compoziție un cuarc c sau b (așa-numitii hadroni „încântați” și „fermecători”). Prin urmare, detectorul de vârfuri este instrument esențial detectorul LHCb, a cărui sarcină principală va fi studierea acestor hadroni.

Semiconductorii funcționează pe un principiu similar. detectoare cu microbandă, în care, în loc de pixeli mici, se folosesc benzile cele mai subțiri, dar mai degrabă lungi de material sensibil. În ele, ionizarea nu se stabilește imediat, ci se deplasează de-a lungul benzii și se citește la capătul acesteia. Benzile sunt proiectate astfel încât viteza de deplasare a noului de încărcare de-a lungul acestuia să fie constantă și să nu se estompeze. Prin urmare, cunoscând momentul în care sarcina ajunge la elementul de citire, este posibil să se calculeze coordonatele punctului în care particula încărcată a străpuns banda. Rezoluția spațială a detectorilor cu microbandă este mai slabă decât cea a detectorilor de pixeli, dar pot acoperi mult mai mult despre suprafață mare, deoarece nu necesită așa ceva un numar mare elemente de citire.

Camere de drift

Camere de drift- Acestea sunt camere umplute cu gaz care sunt plasate în afara detectorilor de cale cu semiconductor, unde nivelul de radiație este relativ scăzut și nu este necesară o precizie atât de mare a determinării poziției, ca în cazul detectoarelor cu semiconductor.

O cameră clasică de deriva este un tub umplut cu gaz, în interiorul căruia sunt întinse multe fire foarte subțiri. Funcționează ca un detector de vârfuri, dar nu pe o placă plată, ci în volum. Toate firele sunt tensionate, iar dispunerea lor este aleasă în așa fel încât o uniformă câmp electric. Când o particulă încărcată zboară printr-o cameră de gaz, ea lasă o urmă de ionizare spațială. Sub influenta câmp electric ionizarea (în primul rând, electronii) se mișcă cu o viteză constantă (fizicienii spun „derive”) de-a lungul liniilor de câmp către firele anodului. Ajunsă la marginea camerei, ionizarea este imediat absorbită de electronică, care transmite un impuls de semnal către ieșire. Deoarece există o mulțime de elemente de citire, semnalele de la acestea pot fi folosite pentru a restabili coordonatele unei particule care trece și, prin urmare, traiectoria, cu o bună acuratețe.

De obicei, cantitatea de ionizare care creează în cameră de gazare particula care trece este mică. Pentru a crește fiabilitatea colectării și înregistrării sarcinii și pentru a reduce eroarea în măsurarea acesteia, este necesar să se amplifice semnalul chiar înainte de a fi înregistrat de către electronică. Acest lucru se realizează folosind o rețea specială de fire anodice și catodice întinse lângă echipamentul de citire. Trecând lângă firul anodului, norul de electroni generează o avalanșă pe acesta, în urma căreia semnalul electronic este înmulțit.

Cu cât câmpul magnetic este mai puternic și cu cât dimensiunile detectorului în sine sunt mai mari, cu atât traiectoria particulei se abate de la o linie dreaptă mai puternică, ceea ce înseamnă că, cu atât mai fiabil este posibil să se măsoare raza de curbură și să reconstruiască impulsul particulei din aceasta. Prin urmare, pentru a studia reacțiile cu particule de energii foarte mari, sute de GeV și TeV, este de dorit să se construiască detectoare mai mari și să se utilizeze campuri magnetice mai puternic. Din motive pur inginerie, este de obicei posibil să creșteți doar una dintre aceste valori în detrimentul celeilalte. Cele mai mari două detectoare de la LHC - ATLAS și CMS - diferă doar în care dintre aceste valori este optimizată. La detectorul ATLAS dimensiuni mai mari, dar un câmp mai mic, în timp ce detectorul CMS are un câmp mai puternic, dar în general este mai compact.

Camera de proiectie a timpului

Un tip special de cameră de deriva este așa-numita camera de proiectie a timpului(VPK). De fapt, VPK-ul este o celulă cilindrică de deriva mare, de câțiva metri în dimensiune. În întregul său volum, se creează un câmp electric uniform de-a lungul axei cilindrului. Întreaga urmă de ionizare învolburată, pe care particulele o părăsesc atunci când zboară prin această cameră, se deplasează uniform spre capetele cilindrului, păstrându-și forma spațială. Traiectoriile sunt, parcă, „proiectate” la capetele camerei, unde o gamă largă de elemente de citire înregistrează sosirea încărcăturii. Coordonatele radiale și unghiulare sunt determinate de numărul senzorului, iar coordonatele de-a lungul axei cilindrului sunt determinate de momentul sosirii semnalului. Datorită acestui fapt, este posibilă restabilirea unei imagini tridimensionale a mișcării particulelor.

Printre experimentele care se desfășoară la LHC, detectorul ALICE folosește camera de proiecție a timpului.

Detectoare Roman Pots

Există un tip special de detectoare de pixeli cu semiconductor care funcționează direct în interiorul tubului vidat, în imediata apropiere a fasciculului. Ele au fost propuse pentru prima dată în anii 1970 de un grup de cercetare din Roma și de atunci au devenit cunoscute ca oale romane(„Oale romane”).

Detectoarele Roman Pots au fost proiectate pentru a detecta particulele deviate de unghiuri foarte mici în timpul unei coliziuni. Detectoarele convenționale amplasate în afara tubului de vid sunt nepotrivite aici pur și simplu pentru că o particulă emisă la un unghi foarte mic poate zbura mulți kilometri în interiorul tubului de vid, întorcându-se împreună cu fasciculul principal și fără a scăpa. Pentru a înregistra astfel de particule, este necesar să plasați detectoare mici în interiorul tubului de vid peste axa fasciculului, dar fără a atinge fasciculul în sine.

Pentru a face acest lucru, la o anumită secțiune a inelului de accelerare, de obicei la o distanță de sute de metri de punctul de coliziune al grinzilor care se ciocnesc, este introdusă o secțiune specială a unui tub de vid cu „manșoane” transversale. Mici, de câțiva centimetri, detectoare de pixeli sunt plasate în ele pe platformele mobile. Când fasciculul este doar injectat, este încă instabil și are mare vibratii transversale. Detectoarele în acest moment sunt ascunse în interiorul manșoanelor pentru a evita deteriorarea de la o lovire directă a fasciculului. După ce fasciculul se stabilizează, platformele se deplasează din brațe și mută matricele sensibile ale detectoarelor Roman Pots în imediata apropiere a fasciculului, la o distanță de 1-2 milimetri. La sfârșitul următorului ciclu de accelerație, înainte de a arunca fasciculul vechi și de a injecta unul nou, detectoarele sunt atrase înapoi în brațe și așteaptă următoarea sesiune de operare.

Detectoarele de pixeli utilizate în Roman Pots diferă de detectoarele de vârf convenționale prin aceea că maximizează porțiunea de suprafață a plachetei ocupată de elementele sensibile. În special, pe marginea plăcii, care este cea mai apropiată de fascicul, practic nu există nicio zonă „moartă” insensibilă ( "fara margini"-tehnologie).

Unul dintre experimentele de la Large Hadron Collider, TOTEM, va folosi doar câteva dintre aceste detectoare. Mai multe proiecte similare sunt în curs de dezvoltare. Detectorul de vârfuri al experimentului LHCb poartă, de asemenea, unele elemente ale acestei tehnologii.

Puteți citi mai multe despre acești detectoare în articolul CERN Courier Vase romane pentru LHC sau în documentația tehnică a experimentului TOTEM.

Calorimetre

Calorimetrele măsoară energia particulelor elementare. Pentru a face acest lucru, puneți pe calea particulelor strat gros substanță densă (de obicei metal grele - plumb, fier, alamă). O particulă din ea se ciocnește cu electronii sau nucleele atomice și, ca rezultat, generează un flux de particule secundare - duș. Energia particulei inițiale este distribuită între toate particulele de duș, astfel încât energia fiecărei particule individuale din acest duș devine mică. Ca urmare, dușul se blochează în grosimea substanței, particulele sale sunt absorbite și anihilate, iar o parte, destul de definită, din energie este eliberată sub formă de lumină. Acest fulger de lumină este colectat la capetele calorimetrului de către fotomultiplicatori, care îl transformă într-un impuls electric. În plus, energia dușului poate fi măsurată prin colectarea ionizării cu plăci sensibile.

Electronii și fotonii, care trec prin materie, se ciocnesc în principal cu învelișuri de electroni atomi și generează un duș electromagnetic - un flux de un număr mare de electroni, pozitroni și fotoni. Astfel de averse se dezvoltă rapid la adâncimi mici și sunt de obicei absorbite într-un strat de materie gros de câteva zeci de centimetri. Hadronii de înaltă energie (protoni, neutroni, pi-mezoni și K-mezoni) pierd energie în principal din cauza ciocnirilor cu nucleele. În acest caz, se generează un duș de hadron, care pătrunde mult mai adânc în grosimea materiei decât unul electromagnetic și, în plus, este mai larg. Prin urmare, pentru a absorbi complet un duș hadronic dintr-o particulă de energie foarte mare, sunt necesari unul sau doi metri de materie.

Diferența dintre caracteristicile dușurilor electromagnetice și hadronice este folosită la maximum în detectoarele moderne. Calorimetrele sunt adesea făcute în două straturi: în interior sunt amplasate calorimetre electromagnetice, în care sunt absorbite predominant dușuri electromagnetice, iar în exterior - calorimetre cu hadron, la care se „atinge” doar dusurile cu hadron. Astfel, calorimetrele nu doar măsoară energia, ci determină și „tipul de energie” – fie că este de origine electromagnetică sau hadronică. Acest lucru este foarte important pentru intelegere corecta a avut loc în centrul detectorului de coliziune de protoni.

Pentru a înregistra un duș prin mijloace optice, materialul calorimetrului trebuie să aibă proprietăți de scintilație. LA scintilator fotonii de o lungime de undă sunt absorbiți foarte eficient, ducând la excitarea moleculelor substanței, iar această excitare este îndepărtată prin emiterea de fotoni de energie mai mică. Pentru fotonii emiși, scintilatorul este deja transparent și, prin urmare, pot ajunge la marginea celulei calorimetrice. Calorimetrele folosesc scintilatoare standard, studiate îndelung, pentru care se știe bine ce parte din energia particulei inițiale este convertită într-un blitz optic.

Pentru a absorbi eficient dușurile, este necesar să folosiți o substanță cât mai densă. Există două moduri de a reconcilia această cerință cu cerințele pentru scintilatoare. În primul rând, se pot alege scintilatoare foarte grele și se umple calorimetrul cu ele. În al doilea rând, este posibil să se facă o „pufă” de plăci alternative dintr-o substanță grea și un scintilator ușor. Există, de asemenea, versiuni mai exotice ale designului calorimetrului, de exemplu, calorimetrele „spaghete”, în care multe fibre subțiri de cuarț sunt încorporate într-o matrice absorbantă masivă. Un duș, care se dezvoltă de-a lungul unui astfel de calorimetru, creează lumină Cherenkov în cuarț, care este scos prin fibre până la capătul calorimetrului.

Precizia restabilirii energiei unei particule într-un calorimetru se îmbunătățește odată cu creșterea energiei. Pentru particulele cu energii de sute de GeV, eroarea este de aproximativ un procent pentru calorimetrele electromagnetice și câteva procente pentru cele hadronice.

Camerele muonice

O trăsătură caracteristică a muonilor este că ei pierd energie foarte lent pe măsură ce se deplasează prin materie. Acest lucru se datorează faptului că, pe de o parte, sunt foarte grele, prin urmare nu pot transfera eficient energie electronilor într-o coliziune și, în al doilea rând, nu participă la o interacțiune puternică, prin urmare sunt slab împrăștiate de nuclee. Ca rezultat, muonii pot zbura mulți metri de materie înainte de a se opri, pătrunzând acolo unde alte particule nu pot ajunge.

Acest lucru, pe de o parte, face imposibilă măsurarea energiei muonilor folosind calorimetre (la urma urmei, un muon nu poate fi absorbit complet), dar, pe de altă parte, face posibilă distingerea bine muonii de alte particule. La detectoarele moderne camere muonice situat în straturile cele mai exterioare ale detectorului, adesea chiar și în afara jugului metalic masiv care creează un câmp magnetic în detector. Astfel de tuburi măsoară nu energia, ci impulsul muonilor și, în același timp, se poate presupune cu bună siguranță că aceste particule sunt tocmai muoni și nu orice altceva. Există mai multe varietăți de camere muonice utilizate în diferite scopuri.

Identificarea particulelor

O problemă separată este identificarea particulelor, adică să afle ce fel de particule a zburat prin detector. Acest lucru nu ar fi dificil dacă am cunoaște masa particulei, dar tocmai asta nu știm de obicei. Pe de o parte, masa poate fi calculată, în principiu, folosind formulele cinematicii relativiste, cunoscând energia și impulsul particulei, dar, din păcate, erorile în măsurarea lor sunt de obicei atât de mari încât nu permit distingerea, de exemplu. , un pi-mezon dintr-un muon datorită proximității lor wt.

În această situație, există patru metode principale de identificare a particulelor:

De raspunsîn tipuri diferite calorimetre și tuburi muonice.
De eliberare de energieîn detectoare de cale. Particule diverse produc cantități diferite de ionizare pe centimetru de cale, iar aceasta poate fi măsurată prin puterea semnalului de la detectoarele de urmărire.
Prin intermediul Cherenkov contorizează. Dacă o particulă zboară printr-un material transparent cu indice de refracție n la o viteză mai mare decât viteza luminii în acel material (adică mai mare decât c/n), apoi emite radiații Cherenkov în direcții strict definite. Dacă luăm aerogel ca substanță detectoare (indicele de refracție tipic n= 1,03), apoi radiația Cherenkov de la particulele care se deplasează cu o viteză de 0,99 cși 0,995 c, va diferi semnificativ.
Prin intermediul camere de timp de zbor. În ele, cu ajutorul unor detectoare cu o rezoluție temporală foarte mare, se măsoară timpul de zbor al unei particule într-o anumită secțiune a camerei și se calculează viteza acesteia.

Fiecare dintre aceste metode are propriile sale dificultăți și erori, astfel încât identificarea particulelor nu este de obicei garantată a fi corectă. Uneori, un program de procesare a datelor „brute” de la un detector poate ajunge la concluzia că un muon a zburat prin detector, deși de fapt era un pion. Este imposibil să scapi complet de astfel de erori. Rămâne doar să studiați cu atenție detectorul înainte de operare (de exemplu, folosind muoni cosmici), să aflați procentul de cazuri de identificare incorectă a particulelor și să luați întotdeauna în considerare atunci când procesați date reale.

Cerințe pentru detectoare

Detectoarele moderne de particule sunt uneori denumite „frații mai mari” ai camerelor digitale. Cu toate acestea, merită să ne amintim că condițiile de funcționare ale camerei și ale detectorului sunt fundamental diferite.

În primul rând, toate elementele detectorului trebuie să fie foarte rapidși foarte precis sincronizate între ele. La Large Hadron Collider, la performanță maximă, ciorchinii se vor ciocni de 40 de milioane de ori pe secundă. În fiecare ciocnire, va avea loc nașterea particulelor, care își vor lăsa „imaginea” în detector, iar detectorul nu trebuie să se „înece” cu acest flux de „imagini”. Ca rezultat, în 25 de nanosecunde, este necesar să colectați toată ionizarea lăsată de particulele zburătoare, să o transformați în semnale electrice și să curățați detectorul, pregătindu-l pentru următoarea porțiune de particule. În 25 de nanosecunde, particulele zboară doar 7,5 metri, ceea ce este comparabil cu dimensiunea detectorilor mari. În timp ce ionizarea de la particulele care trec se adună în straturile exterioare ale detectorului, particulele de la următoarea coliziune zboară deja prin straturile sale interioare!

A doua cerință cheie pentru detector este rezistenta la radiatii. Particulele elementare care zboară departe de locul ciocnirii ciorchinilor sunt radiații reale și foarte dure. De exemplu, doza absorbită de radiație ionizantă așteptată pe care detectorul de vârf o va primi în timpul funcționării este de 300 kiloray plus un flux total de neutroni de 5.1014 neutroni per cm2. În aceste condiții, detectorul ar trebui să funcționeze ani de zile și să rămână încă funcțional. Acest lucru se aplică nu numai materialelor detectorului în sine, ci și electronicelor cu care este umplut. A fost nevoie de câțiva ani pentru a crea și testa electronice tolerante la erori care vor funcționa în condiții atât de dure de radiații.

O altă cerință pentru electronică - putere redusă de ieșire. În interiorul detectoarelor multimetru nu există spațiu liber - fiecare centimetru cub de volum este umplut cu echipament util. Sistemul de răcire ia inevitabil volumul de lucru al detectorului - la urma urmei, dacă o particulă zboară direct prin tubul de răcire, pur și simplu nu va fi înregistrată. Prin urmare, eliberarea de energie din electronică (sute de mii de plăci și fire separate care preiau informații de la toate componentele detectorului) ar trebui să fie minimă.

Literatură suplimentară:

K. Groupen. „Detectoare de particule elementare” // Siberian Chronograph, Novosibirsk, 1999.
Detectoare de particule (PDF, 1,8 Mb).
Detectoare de particule // capitol din ghid de studiu B. S. Ișhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. „Particule și nuclei. Experiment". M.: Editura Universității de Stat din Moscova, 2005.
N. M. Nikityuk. Detectoare microapex de precizie (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, vol. 28, nr. 1, p. 191–242 (1997).

În cap. XXIII ne-am familiarizat cu dispozitivele utilizate pentru detectarea microparticulelor - o cameră cu nori, un contor de scintilație, un contor de descărcare de gaze. Deși acești detectoare sunt utilizați în studiile de particule elementare, nu sunt întotdeauna convenabile. Cert este că cele mai interesante procese de interacțiune, însoțite de transformări reciproce ale particulelor elementare, apar foarte rar. O particulă trebuie să întâlnească o mulțime de nucleoni sau electroni pe drum pentru a avea loc o coliziune interesantă. În practică, trebuie să parcurgă o cale măsurată în zeci de centimetri - metri în materie densă (pe o astfel de cale, o particulă încărcată cu o energie de miliarde de electroni volți își pierde doar o parte din energia sa din cauza ionizării).

Cu toate acestea, într-o cameră cu nori sau un contor de descărcare de gaze, stratul sensibil (în ceea ce privește o substanță densă) este extrem de subțire. În legătură cu aceasta, au fost aplicate și alte metode de detectare a particulelor.

Metoda fotografică s-a dovedit a fi foarte fructuoasă. În emulsiile fotografice speciale cu granulație fină, fiecare particulă încărcată care traversează emulsia lasă o urmă, care, după dezvoltarea plăcii, este detectată la microscop sub forma unui lanț de boabe negre. Prin natura urmei lăsate de o particulă într-o emulsie fotografică, se poate determina natura acestei particule - sarcina, masa și energia ei. Metoda fotografică este convenabilă nu numai pentru că pot fi utilizate materiale groase, ci și pentru că într-o placă fotografică, spre deosebire de o cameră cu nor, urmele de particule încărcate nu dispar imediat după trecerea particulei. Când se studiază evenimente rare, înregistrările pot fi expuse perioadă lungă de timp; acest lucru este util în special în studiile cu raze cosmice. Exemple de evenimente rare capturate în emulsie fotografică sunt prezentate mai sus în Fig. 414, 415; Fig. este deosebit de interesantă. 418.

O altă metodă remarcabilă se bazează pe utilizarea proprietăților lichidelor supraîncălzite (vezi Volumul I, § 299). Când un lichid foarte pur este încălzit la o temperatură chiar și puțin peste punctul de fierbere, lichidul nu fierbe, deoarece tensiunea superficială împiedică formarea bulelor de vapori. Fizicianul american Donald Glaeser (n. 1926) a remarcat în 1952 că un lichid supraîncălzit fierbe instantaneu atunci când este iradiat suficient de intens; energia suplimentară eliberată în urmele de electroni rapizi create în lichid prin -radiere asigură condiţiile pentru formarea bulelor.

Pe baza acestui fenomen, Glaeser a dezvoltat așa-numita cameră cu bule de lichid. Lichid la tensiune arterială crescutăîncălzit la o temperatură apropiată, dar mai mică decât, de punctul de fierbere. Apoi presiunea, și odată cu ea punctul de fierbere, scade, iar lichidul este supraîncălzit. O urmă de bule de vapori se formează de-a lungul traiectoriei unei particule încărcate care traversează lichidul în acest moment. Cu iluminarea potrivită, poate fi surprins de o cameră. De regulă, camerele cu bule sunt situate între polii unui electromagnet puternic, câmpul magnetic îndoaie traiectoriile particulelor. Măsurând lungimea pistei particulelor, raza curburii acesteia și densitatea bulelor, este posibil să se stabilească caracteristicile particulei. Acum camerele cu bule au atins un nivel ridicat de perfecțiune; lucrează, de exemplu, camere umplute cu hidrogen lichid, cu un volum sensibil de câțiva metri cubi. Exemple de fotografii cu urme de particule într-o cameră cu bule sunt prezentate în fig. 416, 417, 419, 420.

Orez. 418. Transformări ale particulelor înregistrate într-un teanc de emulsii fotografice iradiate cu raze cosmice. La un moment dat, o particulă neutră rapidă invizibilă a provocat scindarea unuia dintre nucleele de emulsie și a format mezoni (o „stea” cu 21 de piste). Unul dintre mezoni, -mezonul, care a parcurs un drum în jur (în fotografie sunt prezentate doar începutul și sfârșitul urmei; cu mărirea folosită în fotografie, lungimea întregii urme ar fi fost ), s-a oprit la un punct şi degradat conform schemei . -mezonul, a cărui urmă este îndreptată în jos, a fost captat de nucleu în punct, determinând despicarea acestuia. Unul dintre fragmentele divizării a fost nucleul, care, prin dezintegrare, s-a transformat într-un nucleu, dezintegrându-se instantaneu în două particule care zboară în direcții opuse - în imagine formează un „ciocan”. -mezon, oprindu-se, s-a transformat în -muon (și neutrin) (punct). Sfârșitul urmei -muon este dat în dreapta colțul de sus desen; este vizibilă urma pozitronului format în timpul dezintegrarii.

Orez. 419. Formarea şi descompunerea -hiperonilor. Într-o cameră cu bule de hidrogen într-un câmp magnetic și iradiată cu antiprotoni, reacția . A avut loc la punctul final al traseului (vezi diagrama din partea de sus a figurii). Lambda neutră și hiperonii anti-lambda, care au zburat pe o distanță scurtă fără formarea unei urme, se degradează conform schemelor. Antiprotonul se anihilează cu protonul, formând pe proton doi și doi -mezon-cuanți; protonul nu urmă vizibilă, întrucât, din cauza masei mari, nu primește suficientă energie atunci când interacționează cu -quantul