Detektorji delcev. Fizikalni principi detekcije elementarnih delcev

»Pravi« detektorji delcev, kot so tisti na velikem hadronskem trkalniku, stanejo milijone dolarjev in tehtajo na stotine ton, vendar se bomo poskušali zadovoljiti z veliko skromnejšim proračunom.

Potrebovali bomo:

suh led (približno 80 rubljev na kilogram, priporočljivo je kupiti penasto plastično termo posodo za še 300 rubljev - sicer bo vse, kar ste kupili, prehitro izhlapelo). Veliko suhega ledu ni potrebno, dovolj je kilogram;
izopropil alkohol (stane 370 rubljev na 0,5 litra, prodaja se v trgovinah z radijsko opremo);
kos klobučevine (šivalnica, približno 150 rubljev);
lepilo za lepljenje klobučevine na dno posode ("Moment", 150 rubljev);
prozorna posoda, na primer plastični akvarij s pokrovom (kupili smo trdo plastično posodo za hrano za 1,5 tisoč rubljev);
stojalo za suhi led, lahko je fotografska kiveta (najdete v uredniški kuhinji);
svetilka.

Pa začnimo. Najprej morate na dno posode prilepiti kos klobučevine in počakati nekaj ur, da se lepilo posuši. Po tem je treba filc namočiti v izopropil alkohol (pazite, da vam alkohol ne pride v oči!). Zaželeno je, da je filc popolnoma nasičen z alkoholom, katerega preostanek je treba nato odcediti. Nato na dno kivete nalijte suh led, posodo zaprite s pokrovom in jo položite v suh led s pokrovom navzdol. Zdaj morate počakati, da se zrak v komori nasiči z alkoholnimi hlapi.

Načelo delovanja komore za oblake (tudi "komora za meglo") je, da že zelo šibek udarec povzroči kondenzacijo nasičenih hlapov alkohola. Posledično tudi udar kozmičnih delcev povzroči kondenzacijo hlapov in v komori nastanejo verige mikroskopskih kapljic - sledi.

Poskus si lahko ogledate na našem videu:

Nekaj opomb iz izkušenj: ne kupujte preveč suhega ledu - popolnoma izhlapi v manj kot enem dnevu tudi v njihovi termalni posodi, industrijski hladilnik pa verjetno ne boste našli. Pokrov prozorne posode mora biti črn, na primer od spodaj ga lahko zaprete s črnim steklom. Skladbe bodo bolje vidne na črnem ozadju. Natanko morate pogledati na dno posode, kjer nastane značilna megla, podobna dežju. V tej megli se pojavijo sledi delcev.

Katere skladbe je mogoče videti:

To niso kozmični delci. Kratke in debele sledi so sledi alfa delcev, ki jih oddajajo atomi radioaktivnega plina radona, ki nenehno pronica iz zemeljskega neba (in se kopiči v neprezračenih prostorih).

Dolge ozke sledi puščajo mioni, težki (in kratkotrajni) sorodniki elektronov. Rodijo se v množici zgornje plasti atmosfero, ko visokoenergetski delci trčijo ob atome in povzročijo cele plohe delcev, ki so večinoma sestavljeni iz mionov.

Ukrivljene trajektorije so znak elektronov ali njihovih antidelcev, pozitronov. Ustvarjajo jih tudi kozmični žarki, trčijo z molekulami zraka in se lahko premikajo v cikcakah.

Če ste videli razcepljene sledi, potem imate srečo: bili ste priča razpadu enega delca na dva.

všeč? Naročite se na N+1 na

29. aprila pozno zvečer (za zdaj prestavljeno) NASA izstreli detektor Cern v orbito elementarni delci AMS-02. Ta detektor je bil zgrajen 10 let, njegovi starejši "bratje" že na vso moč delajo na Velikem hadronskem trkalniku, torej pod zemljo, ta pa bo poletel v vesolje! :)

Tukaj je sporočilo za javnost cerna, tukaj je prenos v živo lansiranja z začetkom ob 21:30 CET, cern twitter bo poslal tudi poročila. Zagon in vse nadaljnje delo je mogoče spremljati na spletni strani poskusa. Vmes bom na kratko spregovoril o napravi in znanstvene naloge.

AMS-02 je pravi detektor elementarnih delcev s (skoraj) vsemi lastnostmi. Njegova velikost je 4 metre, teža 8,5 tone. Seveda ga ni mogoče primerjati s takšnim kolosom, kot je ATLAS, a za izstrelitev v vesolje (in namestitev na ISS) to ni dovolj.

Če podzemni detektorji zaznajo delce, ki se rodijo ob umetnem trku protonov in drugih delcev, potem bo AMS-02 registriral kozmične žarke – delce zelo visokih energij, ki prihajajo k nam iz globokega vesolja, razpršene na »naravnih pospeševalnikih«. Kozmične žarke so seveda preučevali že dolgo, skoraj stoletje, a z njimi je še vedno povezanih veliko skrivnosti.

Najpomembnejša naloga novega detektorja je merjenje sestave kozmičnih žarkov z ultra visoko natančnostjo. Kakšen je delež antimaterije v kozmičnih žarkih? Kako se spreminja z energijo? Ali obstajajo novi težki stabilni delci (delci temne snovi) v majhnih količinah, ki se ne morejo roditi v trkalnikih, vendar jih je Vesolje lahko ustvarilo? Ali pa bodo morda nekatere subtilne značilnosti v energijskem spektru navadnih delcev pokazale, da so nastali zaradi razpada doslej neznanih supertežkih delcev?

AMS-02 bo preučeval ta vprašanja z registracijo prehoda delcev kozmičnih žarkov skozi material detektorja in merjenjem njihovega zagona, hitrosti, sproščanja energije in naboja. "Okno" optimalne občutljivosti detektorja glede na energijo delcev je od približno 1 GeV do nekaj TeV. To okno zajema napovedi številnih modelov in se prekriva tudi z okni občutljivosti detektorjev na LHC. Toda za razliko od velikega hadronskega trkalnika tukaj vesolje samo deluje kot pospeševalnik, kar ima lahko daljnosežne posledice.

Poddetektorji in podsistemi AMS-02 ().

Tako kot klasični zemeljski (natančneje, podzemni) detektorji vsebuje več ločenih detekcijskih sistemov hkrati, ki merijo različne značilnosti delci. Le za razliko od njih AMS-02 ne gleda "noter", ampak "gleda ven"; izgleda bolj kot en segment naprednega sodobnega detektorja.

Naprava je na kratko opisana na mestu poskusa. Obstajajo tudi sledilni detektorji, ki obnavljajo trajektorijo, detektorji Čerenkova, ki merijo hitrost delcev, elektromagnetni kalorimetri, ki merijo energijo delcev, in drugi sistemi. Dva različna magneta bosta naenkrat ločila različne naboje (lagal sem). Bodo ločeni stroški trajni magnet Neodimova zlitina 0,125 Tesla. Poleg tega ima AMS-02 nekaj, česar podzemni detektorji nimajo - senzorje GPS in sistem za sledenje zvezd :)

Vse to je bilo zgrajeno 10 let, cena je približno 1,5 gigadolarja. Sodelovanje AMS vključuje 56 institucij iz 16 držav.

Glavna stvar je, da je zdaj ta stvar uspešno odletela. Jutri zvečer bomo spremljali lansiranje!

Skozi naše telo vsako sekundo preleti več deset tisoč elementarnih delcev iz vesolja – mioni, elektroni, nevtrini in tako naprej. Ne čutimo jih in jih ne vidimo, vendar to ne pomeni, da ne obstajajo. To ne pomeni, da jih ni mogoče popraviti. Ponujamo bralcem N+1 sestavite napravo z lastnimi rokami, ki vam bo omogočila "videti" ta neprekinjen kozmični dež.

Potrebovali bomo:

suh led (približno 80 rubljev na kilogram, priporočljivo je kupiti penasto plastično termo posodo za še 300 rubljev - sicer bo vse, kar ste kupili, prehitro izhlapelo). Veliko suhega ledu ni potrebno, dovolj je kilogram;
izopropil alkohol (stane 370 rubljev na 0,5 litra, prodaja se v trgovinah z radijsko opremo);
kos klobučevine (šivalnica, približno 150 rubljev);
lepilo za lepljenje klobučevine na dno posode ("Moment", 150 rubljev);
prozorna posoda, na primer plastični akvarij s pokrovom (kupili smo trdo plastično posodo za hrano za 1,5 tisoč rubljev);
stojalo za suhi led, lahko je fotografska kiveta (najdete v uredniški kuhinji);
svetilka.

Poskus si lahko ogledate na našem videu:

Katere skladbe je mogoče videti:

Revija Symmetry

Dolge ozke sledi puščajo mioni, težki (in kratkotrajni) sorodniki elektronov. Nastajajo v izobilju v zgornji atmosferi, ko visokoenergetski delci trčijo ob atome in ustvarijo cele plohe delcev, večinoma mionov.

Kot v vsakem fizični eksperiment, pri preučevanju elementarnih delcev se najprej zahteva dal eksperiment in nato registrirati njegove rezultate. Pospeševalnik se ukvarja s postavitvijo eksperimenta (trčenje delcev), rezultati trkov pa se preučujejo z detektorji elementarnih delcev.

Da bi rekonstruirali sliko trka, je treba ne le ugotoviti, kateri delci so se rodili, ampak tudi z veliko natančnostjo izmeriti njihove značilnosti, predvsem trajektorijo, zagon in energijo. Vse to se meri z različnimi tipi detektorjev, ki v koncentričnih plasteh obdajajo mesto trka.

Detektorje elementarnih delcev lahko razdelimo v dve skupini: detektorji sledi, ki merijo trajektorijo delcev, in kalorimetri ki merijo svojo energijo. Detektorji sledi poskušajo slediti gibanju delcev, ne da bi pri tem povzročili kakršno koli popačenje. Kalorimetri pa morajo delce popolnoma absorbirati, da lahko izmerijo njegovo energijo. Posledično nastane standardna postavitev sodobnega detektorja: znotraj je več plasti detektorjev tirov, zunaj pa več plasti kalorimetrov, pa tudi posebnih detektorji mionov. Splošna oblika tipičen sodobni detektor je prikazan na sl. eno.

Spodaj sta na kratko opisana struktura in princip delovanja glavnih komponent sodobnih detektorjev. Poudarek je na nekaterih najbolj splošna načela odkrivanje. Za posebne detektorje, ki delujejo na velikem hadronskem trkalniku, glejte Detektorji na LHC.

Detektorji sledi

Detektorji sledi rekonstruirajo trajektorijo delca. Običajno se nahajajo v območju magnetnega polja, nato pa se lahko zagon delca določi iz ukrivljenosti poti delca.

Delo detektorjev sledi temelji na dejstvu, da mimoidoči nabit delec ustvari ionizacijsko sled - to pomeni, da izloči elektrone iz atomov na svoji poti. V tem primeru je intenzivnost ionizacije odvisna tako od vrste delcev kot od materiala detektorja. Proste elektrone zbira elektronika, signal iz katere sporoča koordinate delcev.

Detektor vertex

vrh(mikrovertek, slikovna pika) detektor- To je večplastni polprevodniški detektor, sestavljen iz ločenih tankih plošč z elektroniko, naneseno neposredno nanje. To je najbolj notranja plast detektorjev: običajno se začne neposredno izven vakuumske cevi (včasih je prva plast nameščena neposredno na zunanjo steno vakuumske cevi) in zavzema prvih nekaj centimetrov v radialni smeri. Silicij se običajno izbere kot polprevodniški material zaradi visoke odpornosti na sevanje (notranje plasti detektorja so izpostavljene ogromnim odmerkom trdega sevanja).

V bistvu detektor vertex deluje na enak način kot senzor digitalne kamere. Ko nabit delec prileti skozi to ploščo, pusti v njej sled – več deset mikronov velik ionizacijski oblak. To ionizacijo bere elektronski element neposredno pod slikovno piko. S poznavanjem koordinat presečišč delca z več zaporednimi ploščami detektorja pikslov je mogoče rekonstruirati tridimenzionalne trajektorije delcev in jih izslediti nazaj v cev. Skozi presečišče tako rekonstruiranih poti na neki točki v prostoru, vertex- točka, ko so se ti delci rodili.

Včasih se izkaže, da je takih točk več in eno od njih običajno leži neposredno na osi trka trkajočih se žarkov (primarni vrh), drugo pa je na daljavo. To običajno pomeni, da so protoni trčili na primarnem vrhu in takoj povzročili več delcev, a nekaterim je uspelo preleteti nekaj razdalje, preden so razpadli v otroške delce.

V sodobnih detektorjih natančnost rekonstrukcije vrhov doseže 10 mikronov. To omogoča zanesljivo registracijo primerov, ko so sekundarna oglišča oddaljena 100 mikronov od trkovne osi. Ravno na takih razdaljah odletijo različni metastabilni hadroni, ki imajo v svoji sestavi c- ali b-kvark (t.i. »začarani« in »očarljivi« hadroni). Zato je detektor vertex bistveno orodje detektor LHCb, katerega glavna naloga bo preučevanje teh hadronov.

Polprevodniki delujejo na podobnem principu. mikrotrakasti detektorji, pri katerem so namesto majhnih pikslov uporabljeni najtanjši, a precej dolgi trakovi občutljivega materiala. V njih se ionizacija ne usede takoj, ampak se premika vzdolž traku in se odčita na njegovem koncu. Trakovi so oblikovani tako, da je hitrost premikanja oblaka naboja po njem konstantna in da se ne zamegli. Zato je ob poznavanju trenutka, ko naboj prispe na bralni element, mogoče izračunati koordinate točke, kjer je nabit delec preluknjal trak. Prostorska ločljivost mikrotrakastih detektorjev je slabša kot pri detektorjih pikslov, vendar lahko pokrijejo veliko več približno veliko območje, saj tega ne potrebujejo veliko število bralni elementi.

Drift kamere

Drift kamere- Gre za plinsko napolnjene komore, ki so nameščene izven polprevodniških tirnih detektorjev, kjer je raven sevanja relativno nizka in tako visoka natančnost določanja položaja ni potrebna, kot pri polprevodniških detektorjih.

Klasična drift komora je cev, napolnjena s plinom, znotraj katere je raztegnjenih veliko zelo tankih žic. Deluje kot detektor vertex, vendar ne na ravni plošči, ampak v volumnu. Vse žice so pod napetostjo, njihova razporeditev pa je izbrana tako, da je enotna električno polje. Ko nabit delec leti skozi plinsko komoro, zapusti prostorsko ionizacijsko sled. Pod vplivom električno polje ionizacija (najprej elektroni) se giblje s konstantno hitrostjo (fiziki pravijo, da "drifta") vzdolž poljskih linij proti anodnim žicam. Ko dosežemo rob komore, ionizacijo takoj absorbira elektronika, ki odda signalni impulz na izhod. Ker je bralnih elementov veliko, se lahko signali iz njih z dobro natančnostjo uporabijo za obnovitev koordinat mimoidočega delca in s tem poti.

Običajno je količina ionizacije, ki nastane v plinska komora prehodni delec je majhen. Da bi povečali zanesljivost zbiranja in registracije naboja ter zmanjšali napako pri njegovem merjenju, je treba signal ojačati, še preden ga elektronika registrira. To se naredi s pomočjo posebne mreže anodnih in katodnih žic, raztegnjenih v bližini bralne opreme. Prehajajoč blizu anodne žice, elektronski oblak na njej ustvari plaz, zaradi česar se elektronski signal pomnoži.

Močnejše kot je magnetno polje in večje kot so dimenzije samega detektorja, močneje se pot delcev odmika od premice, kar pomeni, da je bolj zanesljivo izmeriti polmer njegove ukrivljenosti in iz tega rekonstruirati zagon delca. Zato je za preučevanje reakcij z delci zelo visokih energij, na stotine GeV in TeV, zaželeno zgraditi večje detektorje in uporabiti magnetna polja močnejši. Iz čisto inženirskih razlogov je običajno mogoče povečati samo eno od teh vrednosti na račun druge. Dva največja detektorja na LHC - ATLAS in CMS - se razlikujeta le po tem, katera od teh vrednosti je optimizirana. Pri detektorju ATLAS večje velikosti, vendar manjše polje, medtem ko ima detektor CMS močnejše polje, vendar je na splošno bolj kompakten.

Kamera za časovno projekcijo

Posebna vrsta drift komore je t.i kamera za časovno projekcijo(VPK). Pravzaprav je VPK ena velika, več metrov velika, valjasta drsna celica. V celotnem volumnu se vzdolž osi valja ustvari enotno električno polje. Celotna vrtinčasta ionizacijski sled, ki ga delci zapustijo, ko letijo skozi to komoro, se enakomerno premika do koncev valja in ohrani svojo prostorsko obliko. Trajektorije so tako rekoč "projicirane" na konce komore, kjer velik nabor bralnih elementov beleži prihod naboja. Radialne in kotne koordinate so določene s številko senzorja, koordinata vzdolž osi valja pa je določena s časom prihoda signala. Zahvaljujoč temu je mogoče obnoviti tridimenzionalno sliko gibanja delcev.

Med poskusi, ki potekajo na LHC, detektor ALICE uporablja kamero s časovno projekcijo.

Detektorji Roman Pots

Obstaja posebna vrsta polprevodniških detektorjev pikslov, ki delujejo neposredno znotraj vakuumske cevi, v neposredni bližini žarka. Prvič jih je predlagala raziskovalna skupina iz Rima v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja in so od takrat postali znani kot Rimski lonci("rimski lonci").

Detektorji Roman Pots so bili zasnovani za zaznavanje delcev, ki med trkom odstopajo za zelo majhne kote. Običajni detektorji, ki se nahajajo zunaj vakuumske cevi, so tukaj neprimerni preprosto zato, ker lahko delec, oddan pod zelo majhnim kotom, leti več kilometrov znotraj vakuumske cevi, se obrne skupaj z glavnim žarkom in ne uide. Za registracijo takšnih delcev je treba v vakuumsko cev čez os žarka namestiti majhne detektorje, vendar brez dotikanja samega žarka.

Da bi to naredili, se na določenem odseku pospeševalnega obroča, običajno na razdalji več sto metrov od točke trka trkajočih se žarkov, vstavi poseben odsek vakuumske cevi s prečnimi "tukami". V njih so na mobilnih platformah nameščeni majhni, nekaj centimetri veliki detektorji pikslov. Ko je žarek pravkar vbrizgan, je še vedno nestabilen in velik prečne vibracije. Detektorji so v tem trenutku skriti znotraj rokavov, da bi se izognili poškodbam zaradi neposrednega udarca žarka. Ko se žarek stabilizira, se platforme premaknejo iz rok in premaknejo občutljive matrice detektorjev Rimskih loncev v neposredni bližini žarka, na razdalji 1-2 milimetra. Ob koncu naslednjega cikla pospeševalnika, preden zavržete stari žarek in vbrizgate novega, se detektorji umaknejo v svoje roke in počakajo na naslednjo sejo delovanja.

Detektorji pikslov, ki se uporabljajo v rimskih lončkih, se od običajnih detektorjev vertex razlikujejo po tem, da maksimizirajo del površine rezine, ki ga zasedajo občutljivi elementi. Zlasti na robu plošče, ki je najbližje žarku, praktično ni neobčutljive "mrtve" cone ( "brez robov"-tehnologija).

Eden od poskusov na velikem hadronskem trkalniku, TOTEM, bo uporabil le nekaj teh detektorjev. V razvoju je še nekaj podobnih projektov. Detektor vertex eksperimenta LHCb vsebuje tudi nekatere elemente te tehnologije.

Več o teh detektorjih si lahko preberete v članku CERN Courier Rimski lonci za LHC ali v tehnični dokumentaciji eksperimenta TOTEM.

Kalorimetri

Kalorimetri merijo energijo elementarnih delcev. Če želite to narediti, postavite na pot delcev debela plast gosta snov (običajno težka kovina - svinec, železo, medenina). Delec v njem trči z elektroni ali atomskimi jedri in posledično ustvari tok sekundarnih delcev - tuš. Energija začetnega delca se porazdeli med vse delce prhe, tako da energija vsakega posameznega delca v tem tušu postane majhna. Posledično se prha zatakne v debelino snovi, njeni delci se absorbirajo in uničijo, nekaj, povsem določnega, deleža energije pa se sprosti v obliki svetlobe. Ta svetlobni blisk se na koncih kalorimetra zbira s fotopomnoževalci, ki ga pretvorijo v električni impulz. Poleg tega je mogoče izmeriti energijo prhe z zbiranjem ionizacije z občutljivimi ploščami.

Elektroni in fotoni, ki prehajajo skozi snov, trčijo predvsem z elektronske lupine atomov in ustvarijo elektromagnetno prho - tok velikega števila elektronov, pozitronov in fotonov. Takšni nalivi se hitro razvijejo v plitvih globinah in se običajno absorbirajo v več deset centimetrov debelo plast snovi. Visokoenergetski hadroni (protoni, nevtroni, pi-mezoni in K-mezoni) izgubljajo energijo predvsem zaradi trkov z jedri. V tem primeru nastane hadronski tuš, ki prodre veliko globlje v debelino snovi kot elektromagnetni, poleg tega pa je širši. Zato je za popolno absorpcijo hadronskega tuša iz delca zelo visoke energije potrebna en ali dva metra snovi.

Razlika med lastnostmi elektromagnetnih in hadronskih prh je v sodobnih detektorjih maksimalno izkoriščena. Kalorimetri so pogosto dvoslojni: znotraj so nameščeni elektromagnetni kalorimetri, v katerem se absorbirajo pretežno elektromagnetne prhe, zunaj pa - hadronski kalorimetri, ki jih »sežejo« le hadronski nalivi. Tako kalorimetri ne merijo le energije, temveč določajo tudi »vrsto energije« – ali je elektromagnetnega ali hadronskega izvora. To je zelo pomembno za pravilno razumevanje se je zgodilo v središču detektorja protonskih trkov.

Za registracijo prhe z optičnimi sredstvi mora imeti material kalorimetra scintilacijske lastnosti. AT scintilator fotoni ene valovne dolžine se absorbirajo zelo učinkovito, kar vodi do vzbujanja molekul snovi, to vzbujanje pa odstranimo z oddajanjem fotonov nižje energije. Za oddane fotone je scintilator že prozoren, zato lahko dosežejo rob kalorimetrične celice. Kalorimetri uporabljajo standardne, dolgo raziskane scintilatorje, za katere je dobro znano, kolikšen del energije začetnega delca se pretvori v optični blisk.

Za učinkovito absorpcijo prhe je treba uporabiti čim bolj gosto snov. Obstajata dva načina za uskladitev te zahteve z zahtevami za scintilatorje. Najprej lahko izberemo zelo težke scintilatorje in z njimi napolnimo kalorimeter. Drugič, mogoče je narediti "napihovanje" izmeničnih plošč težke snovi in lahkega scintilatorja. Obstajajo tudi bolj eksotične različice zasnove kalorimetra, na primer "špageti" kalorimetri, v katerih je veliko tankih kremenovih vlaken vgrajenih v masivno absorbersko matriko. Tuš, ki se razvija vzdolž takšnega kalorimetra, ustvarja čerenkovo svetlobo v kremenu, ki oddaja skozi vlakna do konca kalorimetra.

Natančnost obnavljanja energije delca v kalorimetru se z večanjem energije izboljšuje. Za delce z energijami na stotine GeV je napaka približno odstotek za elektromagnetne kalorimetre in nekaj odstotkov za hadronske.

Muonske komore

Značilnost mionov je, da med premikanjem skozi snov zelo počasi izgubljajo energijo. To je posledica dejstva, da so po eni strani zelo težki, zato pri trku ne morejo učinkovito prenesti energije na elektrone, in drugič, ne sodelujejo v močni interakciji, zato so šibko razpršeni z jedri. Posledično lahko mioni preletijo veliko metrov snovi, preden se ustavijo, in prodrejo tja, kamor ne morejo doseči nobeni drugi delci.

To po eni strani onemogoča merjenje energije mionov s kalorimetri (navsezadnje miona ni mogoče popolnoma absorbirati), po drugi strani pa omogoča dobro razlikovanje mionov od drugih delcev. V sodobnih detektorjih mionske komore ki se nahajajo v najbolj zunanjih plasteh detektorja, pogosto celo zunaj masivnega kovinskega jarma, ki ustvarja magnetno polje v detektorju. Takšne cevi ne merijo energije, temveč zagon mionov, hkrati pa je mogoče z dobro gotovostjo domnevati, da so ti delci ravno mioni in ne karkoli drugega. Obstaja več vrst mionskih komor, ki se uporabljajo za različne namene.

Identifikacija delcev

Ločeno vprašanje je identifikacija delcev, torej ugotavljanje, kakšen delec je priletel skozi detektor. To ne bi bilo težko, če bi poznali maso delca, a ravno tega običajno ne poznamo. Po eni strani je maso načeloma mogoče izračunati s formulami relativistične kinematike, če poznamo energijo in gibalno količino delca, vendar so na žalost napake pri njihovem merjenju običajno tako velike, da ne omogočajo razlikovanja npr. , pi-mezon iz miona zaradi njihove bližine wt.

V tem primeru obstajajo štiri glavne metode za identifikacijo delcev:

Avtor odgovor v različni tipi kalorimetri in mionske cevi.
Avtor sproščanje energije v detektorjih tirov. Razni delci proizvajajo različne količine ionizacije na centimeter poti, kar je mogoče izmeriti z močjo signala iz detektorjev tirov.
Preko Čerenkov šteje. Če delec leti skozi prozoren material z lomnim količnikom n s hitrostjo, ki je večja od hitrosti svetlobe v tem materialu (to je večja od c/n), potem oddaja čerenkovsko sevanje v strogo določenih smereh. Če vzamemo aerogel kot detektorsko snov (tipični lomni količnik n= 1,03), potem sevanje Čerenkova iz delcev, ki se gibljejo s hitrostjo 0,99 c in 0,995 c, se bodo bistveno razlikovali.
Preko kamere za čas letenja. V njih se s pomočjo detektorjev z zelo visoko časovno ločljivostjo meri čas letenja delca v določenem delu komore in iz tega izračuna njegova hitrost.

Vsaka od teh metod ima svoje težave in napake, zato običajno ni zagotovljeno, da bo identifikacija delcev pravilna. Včasih lahko program za obdelavo "surovih" podatkov iz detektorja ugotovi, da je skozi detektor letel mion, čeprav je bil v resnici pion. Takšnih napak se je nemogoče popolnoma znebiti. Ostaja le natančno preučiti detektor pred delovanjem (na primer s pomočjo kozmičnih mionov), ugotoviti odstotek primerov napačne identifikacije delcev in ga vedno upoštevati pri obdelavi resničnih podatkov.

Zahteve za detektorje

Sodobni detektorji delcev se včasih imenujejo "veliki bratje" digitalnih fotoaparatov. Vendar je treba spomniti, da so pogoji delovanja kamere in detektorja bistveno različni.

Najprej morajo biti vsi elementi detektorja zelo hitro in zelo natančno sinhronizirani med seboj. Na velikem hadronskem trkalniku se bodo ob največji zmogljivosti grozdi trčili 40 milijonov krat na sekundo. Pri vsakem trku bo prišlo do rojstva delcev, ki bodo pustili svojo »sliko« v detektorju, detektor pa se ne sme »zadušiti« v tem toku »slik«. Posledično je treba v 25 nanosekundah zbrati vso ionizacijo, ki jo pustijo leteči delci, jo pretvoriti v električne signale in očistiti detektor in ga pripraviti na naslednji del delcev. V 25 nanosekundah delci preletijo le 7,5 metra, kar je primerljivo z velikostjo velikih detektorjev. Medtem ko se ionizacija iz mimoidočih delcev zbira v zunanjih plasteh detektorja, delci naslednjega trka že letijo skozi njegove notranje plasti!

Druga ključna zahteva za detektor je odpornost na sevanje. Elementarni delci, ki odletijo stran od mesta trka grozdov, so pravo sevanje in zelo trdo. Na primer, pričakovana absorbirana doza ionizirajočega sevanja, ki jo bo detektor vertex prejel med delovanjem, je 300 kilogramov plus skupni nevtronski tok 5·10 14 nevtronov na cm 2 . Pod temi pogoji naj bi detektor deloval leta in še vedno deloval. To ne velja samo za materiale samega detektorja, ampak tudi za elektroniko, s katero je polnjen. Trajalo je nekaj let, da so ustvarili in preizkusili elektroniko, odporno na napake, ki bo delovala v tako težkih pogojih sevanja.

Druga zahteva za elektroniko - nizka izhodna moč. V notranjosti večmetrskih detektorjev ni prostega prostora - vsak kubični centimeter prostornine je napolnjen s uporabno opremo. Hladilni sistem neizogibno odvzame delovno prostornino detektorja - navsezadnje, če delček leti prav skozi hladilno cev, ga preprosto ne bodo registrirali. Zato mora biti sproščanje energije iz elektronike (na stotine tisoč ločenih plošč in žic, ki jemljejo informacije iz vseh komponent detektorja) minimalno.

Dodatna literatura:

K. Groupen. "Detektorji elementarnih delcev" // Sibirski kronograf, Novosibirsk, 1999.
Detektorji delcev (PDF, 1,8 Mb).
Detektorji delcev // poglavje iz študijski vodnik B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. "Delci in jedra. Eksperimentiraj". M.: Založba Moskovske državne univerze, 2005.
N. M. Nikityuk. Precizni mikroapex detektorji (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, letnik 28, št. 1, str. 191–242 (1997).

V pogl. XXIII smo se seznanili z napravami, ki se uporabljajo za zaznavanje mikrodelcev - oblačna komora, scintilacijski števec, števec plinskih razelektritev. Čeprav se ti detektorji uporabljajo v študijah osnovnih delcev, niso vedno priročni. Dejstvo je, da se najbolj zanimivi procesi interakcije, ki jih spremljajo medsebojne transformacije elementarnih delcev, pojavljajo zelo redko. Delec mora na svoji poti srečati veliko nukleonov ali elektronov, da pride do zanimivega trka. V praksi mora iti skozi pot, merjeno v desetih centimetrih – metrih v gosti snovi (na taki poti nabit delec z energijo milijard elektron voltov zaradi ionizacije izgubi le del energije).

Vendar pa je v komori za oblake ali števcu plinskega razelektritve občutljiva plast (glede na gosto snov) izjemno tanka. V zvezi s tem so bile uporabljene nekatere druge metode za odkrivanje delcev.

Fotografska metoda se je izkazala za zelo plodno. V posebnih drobnozrnatih fotografskih emulzijah vsak nabit delec, ki prečka emulzijo, pusti sled, ki jo po razvoju plošče zaznamo pod mikroskopom v obliki verige črnih zrnc. Po naravi sledi, ki jo pusti delec v fotografski emulziji, lahko določimo naravo tega delca - njegov naboj, maso in energijo. Fotografska metoda je priročna ne le zato, ker je mogoče uporabiti debele materiale, temveč tudi zato, ker v fotografski plošči, v nasprotju z oblačno komoro, sledi nabitih delcev ne izginejo kmalu po prehodu delca. Pri preučevanju redkih dogodkov se lahko razkrijejo zapisi dolgo časa; to je še posebej uporabno pri študijah kozmičnih žarkov. Primeri redkih dogodkov, ujetih v fotografsko emulzijo, so prikazani zgoraj na sl. 414, 415; Še posebej zanimiva je sl. 418.

Druga izjemna metoda temelji na uporabi lastnosti pregretih tekočin (glej Zvezek I, § 299). Ko zelo čisto tekočino segrejemo na temperaturo celo nekoliko nad vreliščem, tekočina ne zavre, saj površinska napetost preprečuje nastanek parnih mehurčkov. Ameriški fizik Donald Glaeser (r. 1926) je leta 1952 opazil, da pregreta tekočina takoj zavre, če je dovolj intenzivno obsevana; dodatna energija, ki se sprosti v sledovih hitrih elektronov, ki jih v tekočini ustvari -sevanje, zagotavlja pogoje za nastanek mehurčkov.

Na podlagi tega pojava je Glaeser razvil tako imenovano tekočo mehurčno komoro. Tekočina pri visok krvni pritisk segreti na temperaturo, ki je blizu, vendar nižja od vrelišča. Nato se tlak in s tem vrelišče zmanjšata in tekočina se pregreje. Na poti nabitega delca, ki v tem trenutku prečka tekočino, nastane sled parnih mehurčkov. S pravilno osvetlitvijo ga lahko posnamete s kamero. Praviloma so komore z mehurčki nameščene med poloma močnega elektromagneta, magnetno polje upogiba poti delcev. Z merjenjem dolžine sledi delcev, polmera njegove ukrivljenosti in gostote mehurčkov je mogoče ugotoviti značilnosti delca. Zdaj so mehurčke komore dosegle visoko raven popolnosti; delajo, na primer, komore, napolnjene s tekočim vodikom, z občutljivo prostornino več kubičnih metrov. Primeri fotografij sledi delcev v komori z mehurčki so prikazani na sl. 416, 417, 419, 420.

riž. 418. Transformacije delcev, posnetih v kupu fotografskih emulzij, obsevanih s kozmičnimi žarki. Na neki točki je neviden hiter nevtralen delec povzročil razcep enega od emulzijskih jeder in tvoril mezone ("zvezda" 21 sledi). Eden od mezonov, -mezon, ki je prehodil pot naokoli (na fotografiji sta prikazana le začetek in konec sledi; s povečavo, uporabljeno na fotografiji, bi bila dolžina celotne sledi ), se je ustavil pri točko in razpadla po shemi . -mezon, katerega sled je usmerjena navzdol, je jedro ujelo na točki, kar je povzročilo njegovo razcepitev. Eden od drobcev cepitve je bilo jedro, ki se je z razpadom spremenilo v jedro in se v trenutku razpadlo na dva delca, ki letita v nasprotnih smereh - na sliki tvorita "kladivo". -mezon se je, ko se je ustavil, spremenil v -muon (in nevtrino) (točka). Konec -muonske sledi je podan na desni zgornji kot risanje; vidna je sled pozitrona, ki je nastal med razpadom.

riž. 419. Nastajanje in razpad -hiperonov. V komori z vodikovimi mehurčki v magnetnem polju in obsevana z antiprotoni, reakcija . Zgodilo se je na končni točki poti (glej diagram na vrhu slike). Nevtralni lambda in anti-lambda hiperoni, ki preletijo kratko razdaljo brez tvorbe sledi, propadajo po shemah. Antiproton anihilira s protonom in tvori dva in dva -mezon-kvant na protonu; proton ne vidna sled, saj zaradi velike mase pri interakciji z -kvantom ne prejme dovolj energije