Partikeldetektorer. Fysikaliska principer för detektion av elementarpartiklar

"Äkta" partikeldetektorer, som de vid Large Hadron Collider, kostar miljontals dollar och väger hundratals ton, men vi ska försöka nöja oss med en mycket mer blygsam budget.

Vi kommer att behöva:

torris (cirka 80 rubel per kilo, det är lämpligt att köpa en termisk behållare av skumplast för ytterligare 300 rubel - annars kommer allt du köpte att avdunsta för snabbt). Mycket torris behövs inte, ett kilo räcker;
isopropylalkohol (kostar 370 rubel per 0,5 liter, säljs i radioutrustningsbutiker);
en bit filt (sybutik, cirka 150 rubel);
lim för att fästa filten på botten av behållaren ("Moment", 150 rubel);
en genomskinlig behållare, till exempel ett plastakvarium med lock (vi köpte en matbehållare av hård plast för 1,5 tusen rubel);
stå för torris, det kan vara en fotografisk kyvett (finns i redaktionens kök);
fackla.

Så låt oss börja. Först måste du limma en filtbit på botten av behållaren och vänta några timmar tills limmet torkar. Efter det ska filten blötläggas i isopropylalkohol (se till att alkohol inte kommer i ögonen!). Det är önskvärt att filten är helt mättad med alkohol, varav resten måste dräneras. Häll sedan torris på kyvettens botten, stäng behållaren med ett lock och lägg den i torris med locket nere. Nu måste du vänta på att luften inuti kammaren ska vara mättad med alkoholånga.

Funktionsprincipen för molnkammaren (aka "dimkammaren") är att även en mycket svag påverkan får den mättade alkoholångan att kondensera. Som ett resultat får till och med påverkan av kosmiska partiklar ångan att kondensera, och kedjor av mikroskopiska droppar - spår - bildas i kammaren.

Du kan se experimentet i vår video:

Några anteckningar från erfarenhet: du bör inte köpa för mycket torris - den kommer att avdunsta helt på mindre än en dag även i deras termiska behållare, och det är osannolikt att du hittar ett industrikylskåp. Det är nödvändigt att locket på den genomskinliga behållaren är svart, till exempel kan du stänga det underifrån med svart glas. Spår kommer att synas bättre på en svart bakgrund. Du måste titta exakt på botten av behållaren, där en karakteristisk dimma bildas, som liknar duggregn. Det är i denna dimma som partikelspår uppstår.

Vilka spår kan ses:

Dessa är inte kosmiska partiklar. Korta och tjocka spår är spår av alfapartiklar som släpps ut av atomer av den radioaktiva gasen radon, som kontinuerligt sipprar från jordens tarmar (och ackumuleras i oventilerade rum).

Långa smala spår lämnas av myoner, de tunga (och kortlivade) släktingarna till elektroner. De föds i mängder övre skikten atmosfär, när högenergipartiklar kolliderar med atomer och ger upphov till hela skurar av partiklar, mestadels bestående av myoner.

Böjda banor är ett tecken på elektroner eller deras antipartiklar, positroner. De genereras också av kosmiska strålar, kolliderar med luftmolekyler och kan röra sig i sicksack.

Om du såg spår dela sig, då har du tur: du har sett sönderfallet av en partikel till två.

Gillade? Prenumerera på N+1 på

Den 29 april, sent på kvällen (som planerats för nu), lanserar NASA Cern-detektorn i omloppsbana elementarpartiklar AMS-02. Denna detektor byggdes i 10 år, dess äldre "bröder" arbetar redan med kraft och kraft vid Large Hadron Collider, det vill säga under jorden, och den här kommer att flyga ut i rymden! :)

Här är det aktuella pressmeddelandet, här är livestreamen av lanseringen som börjar 21:30 CET, cern twitter kommer också att skicka rapporter. Lanseringen och allt efterföljande arbete kan spåras på experimentets hemsida. Under tiden kommer jag kort att prata om enheten och vetenskapliga uppgifter.

AMS-02 är en riktig elementarpartikeldetektor med (nästan) alla dess attribut. Dess storlek är 4 meter, vikten är 8,5 ton. Naturligtvis kan det inte jämföras med en sådan koloss som ATLAS, men för uppskjutning i rymden (och installation på ISS) räcker det inte.

Om underjordiska detektorer registrerar partiklar som föds under en konstgjord kollision av protoner och andra partiklar, kommer AMS-02 att registrera kosmiska strålar - partiklar med mycket höga energier som kommer till oss från rymden, spridda på "naturliga acceleratorer". Kosmiska strålar har naturligtvis studerats under lång tid, nästan ett sekel, men många mysterier är fortfarande förknippade med dem.

Den nya detektorns viktigaste uppgift är att mäta sammansättningen av kosmiska strålar med ultrahög noggrannhet. Hur stor är andelen antimateria i kosmiska strålar? Hur förändras det med energi? Finns det några nya tunga stabila partiklar (mörk materia partiklar) i små mängder som inte kan födas vid kolliderar, men som universum kunde ge upphov till? Eller kanske några subtila särdrag i energispektrumet för vanliga partiklar indikerar att de producerades av sönderfallet av hittills okända supertunga partiklar?

AMS-02 kommer att studera dessa frågor genom att registrera passagen av kosmiska strålar genom detektormaterialet och mäta deras rörelsemängd, hastighet, energifrisättning och laddning. "Fönstret" för optimal känslighet för detektorn i termer av partikelenergi är från cirka 1 GeV till flera TeV. Detta fönster täcker förutsägelserna för många modeller och överlappar även känslighetsfönstren för detektorerna vid LHC. Men till skillnad från Large Hadron Collider fungerar universum självt här som en accelerator, och det kan få långtgående konsekvenser.

Underdetektorer och delsystem AMS-02 ().

Precis som klassiska markdetektorer (mer exakt underjordiska) innehåller den flera separata detekteringssystem samtidigt, som mäter olika egenskaper partiklar. Bara till skillnad från dem tittar AMS-02 inte "in", utan "kikar ut"; det ser mer ut som ett segment av en avancerad modern detektor.

Enheten beskrivs kortfattat på platsen för experimentet. Det finns också spårdetektorer som återställer banan, Cherenkov-detektorer som mäter partiklars hastighet, elektromagnetiska kalorimetrar som mäter partiklars energi och andra system. Två olika magneter kommer att separera olika laddningar på en gång (jag ljög). Kommer att separera avgifter permanentmagnet 0,125 Tesla neodymlegering. Och dessutom har AMS-02 något som underjordiska detektorer inte har - GPS-sensorer och ett stjärnspårningssystem :)

Allt detta byggdes i 10 år, kostnaden är cirka 1,5 gigadollar. AMS-samarbetet omfattar 56 institutioner från 16 länder.

Huvudsaken är att nu har den här saken framgångsrikt flugit iväg. Imorgon kväll följer vi lanseringen!

Tiotusentals elementarpartiklar från rymden flyger genom vår kropp varje sekund - myoner, elektroner, neutriner och så vidare. Vi känner inte och ser dem inte, men det betyder inte att de inte finns. Det betyder inte att de inte kan fixas. Vi erbjuder läsare N+1 montera en enhet med dina egna händer som gör att du kan "se" detta kontinuerliga kosmiska regn.

"Äkta" partikeldetektorer, som de vid Large Hadron Collider, kostar miljontals dollar och väger hundratals ton, men vi ska försöka nöja oss med en mycket mer blygsam budget.

Vi kommer att behöva:

torris (cirka 80 rubel per kilo, det är lämpligt att köpa en termisk behållare av skumplast för ytterligare 300 rubel - annars kommer allt du köpte att avdunsta för snabbt). Mycket torris behövs inte, ett kilo räcker;
isopropylalkohol (kostar 370 rubel per 0,5 liter, säljs i radioutrustningsbutiker);
en bit filt (sybutik, cirka 150 rubel);
lim för att fästa filten på botten av behållaren ("Moment", 150 rubel);
en genomskinlig behållare, till exempel ett plastakvarium med lock (vi köpte en matbehållare av hård plast för 1,5 tusen rubel);
stå för torris, det kan vara en fotografisk kyvett (finns i redaktionens kök);
fackla.

Du kan se experimentet i vår video:

Vilka spår kan ses:

Symmetry Magazine

Långa smala spår lämnas av myoner, de tunga (och kortlivade) släktingarna till elektroner. De produceras i överflöd i den övre atmosfären när högenergipartiklar kolliderar med atomer och skapar hela skurar av partiklar, mestadels myoner.

Som i vilken som helst fysiskt experiment, när man studerar elementarpartiklar krävs det först sätta experimentera och sedan Registrera hans resultat. Acceleratorn är engagerad i att sätta upp experimentet (kollision av partiklar), och resultaten av kollisioner studeras med hjälp av elementära partikeldetektorer.

För att rekonstruera bilden av kollisionen är det nödvändigt att inte bara ta reda på vilka partiklar som föddes, utan också att mäta deras egenskaper med stor noggrannhet, främst bana, momentum och energi. Allt detta mäts med hjälp av olika typer av detektorer, som omger platsen för partikelkollision i koncentriska lager.

Elementära partikeldetektorer kan delas in i två grupper: spårdetektorer, som mäter partiklarnas bana, och kalorimetrar som mäter deras energi. Spårdetektorer försöker följa partiklars rörelse utan att införa någon distorsion. Kalorimetrar, å andra sidan, måste helt absorbera en partikel för att kunna mäta dess energi. Som ett resultat uppstår en standardlayout av en modern detektor: inuti finns det flera lager av spårdetektorer, och utanför - flera lager kalorimetrar, såväl som speciella myondetektorer. Allmän form en typisk modern detektor visas i fig. ett.

Strukturen och funktionsprincipen för huvudkomponenterna i moderna detektorer beskrivs kortfattat nedan. Tonvikten ligger på några av de mest generella principer upptäckt. För specifika detektorer som arbetar vid Large Hadron Collider, se Detektorer vid LHC.

Spårdetektorer

Spårdetektorer rekonstruerar partikelns bana. De är vanligtvis belägna i området för magnetfältet, och då kan partikelns rörelsemängd bestämmas utifrån krökningen av partikelns bana.

Spårdetektorernas arbete bygger på det faktum att en passerande laddad partikel skapar ett joniseringsspår - det vill säga den slår ut elektroner från atomer i sin väg. I detta fall beror joniseringsintensiteten både på typen av partikel och på detektorns material. Fria elektroner samlas in av elektronik, från vilken signalen rapporterar partiklarnas koordinater.

Vertex detektor

topp(microvertex, pixel) detektor– Det här är en flerskiktshalvledardetektor, bestående av separata tunna plattor med elektronik avsatt direkt på dem. Detta är det innersta lagret av detektorer: det börjar vanligtvis omedelbart utanför vakuumröret (ibland är det första lagret monterat direkt på vakuumrörets yttervägg) och upptar de första centimeterna i radiell riktning. Kisel väljs vanligtvis som ett halvledarmaterial på grund av dess höga strålningsmotstånd (detektorns inre skikt utsätts för enorma doser av hård strålning).

I huvudsak fungerar vertexdetektorn på samma sätt som en digitalkamerasensor. När en laddad partikel flyger genom denna platta lämnar den ett spår i den - ett joniseringsmoln som är flera tiotals mikron stort. Denna jonisering läses av det elektroniska elementet direkt under pixeln. Genom att känna till koordinaterna för skärningspunkterna för en partikel med flera på varandra följande pixeldetektorplattor är det möjligt att rekonstruera de tredimensionella banorna för partiklarna och spåra dem tillbaka inuti röret. Genom skärningspunkten mellan sådana rekonstruerade banor någon gång i rymden, vertex- punkten där dessa partiklar föddes.

Ibland visar det sig att det finns flera sådana hörn, och en av dem ligger vanligtvis direkt på kollisionsaxeln för kolliderande strålar (primär vertex), och den andra är på avstånd. Det brukar innebära att protoner kolliderade i den primära vertexen och omedelbart gav upphov till flera partiklar, men några av dem hann flyga en bit innan de sönderföll till barnpartiklar.

I moderna detektorer når ve10 mikron. Detta gör det möjligt att på ett tillförlitligt sätt registrera fall när de sekundära hörnen är 100 mikron bort från kollisionsaxeln. Det är just på sådana avstånd som olika metastabila hadroner flyger iväg, som har en c- eller b-kvark i sin sammansättning (de så kallade "förtrollade" och "charmiga" hadronerna). Därför är vertexdetektorn viktigt verktyg detektor LHCb, vars huvuduppgift blir att studera dessa hadroner.

Halvledare fungerar på en liknande princip. mikrostripdetektorer, där istället för små pixlar används de tunnaste men ganska långa remsorna av känsligt material. I dem sätter sig joniseringen inte omedelbart, utan skiftar längs remsan och läses vid dess ände. Remsorna är utformade på ett sådant sätt att hastigheten på laddningsmolnets förskjutning längs den är konstant och att den inte suddas ut. Därför, genom att känna till ögonblicket när laddningen anländer till avläsningselementet, är det möjligt att beräkna koordinaterna för den punkt där den laddade partikeln genomborrade remsan. Den rumsliga upplösningen för mikrostripdetektorer är sämre än den för pixeldetektorer, men de kan täcka mycket mer handla om stort område, eftersom de inte kräver sådana ett stort antal läselement.

Driftkameror

Driftkameror– Det är gasfyllda kammare som är placerade utanför halvledarspårsdetektorerna, där strålningsnivån är relativt låg och det inte krävs en så hög noggrannhet vid positionsbestämning, som med halvledardetektorer.

En klassisk driftkammare är ett rör fyllt med gas, inuti vilket många mycket tunna trådar sträcks. Den fungerar som en vertexdetektor, men inte på en platt platta, utan i volym. Alla trådar är under spänning, och deras arrangemang är vald på ett sådant sätt att en enhetlig elektriskt fält. När en laddad partikel flyger genom en gaskammare, lämnar den ett rumsligt joniseringsspår. Under påverkan elektriskt fält jonisering (först av allt, elektroner) rör sig med konstant hastighet (fysiker säger "drifter") längs fältlinjerna mot anodrådarna. Efter att ha nått kanten av kammaren absorberas joniseringen omedelbart av elektroniken, som sänder en signalpuls till utgången. Eftersom det finns många läselement kan signalerna från dem användas för att återställa koordinaterna för en flygande partikel, och därmed banan, med god noggrannhet.

Vanligtvis mängden jonisering som skapar in gaskammare den passerande partikeln är liten. För att öka tillförlitligheten av laddningsuppsamling och registrering och minska felet i dess mätning är det nödvändigt att förstärka signalen redan innan den registreras av elektroniken. Detta görs med hjälp av ett speciellt nätverk av anod- och katodtrådar sträckta nära läsutrustningen. Genom att passera nära anodtråden genererar elektronmolnet en lavin på den, vilket resulterar i att den elektroniska signalen multipliceras.

Ju starkare magnetfält och ju större dimensioner själva detektorn har, desto starkare avviker partikelbanan från en rät linje, vilket gör att desto mer tillförlitligt är det möjligt att mäta dess krökningsradie och rekonstruera partikelmomentet från denna. För att studera reaktioner med partiklar med mycket hög energi, hundratals GeV och TeV, är det därför önskvärt att bygga större detektorer och använda magnetiska fält starkare. Av rent tekniska skäl är det vanligtvis möjligt att höja endast ett av dessa värden på bekostnad av det andra. De två största detektorerna vid LHC - ATLAS och CMS - skiljer sig bara åt i vilka av dessa värden som är optimerade. Vid ATLAS-detektorn större storlekar, men ett mindre fält, medan CMS-detektorn har ett starkare fält, men i allmänhet är den mer kompakt.

Tidsprojektionskamera

En speciell typ av drivkammare är den sk tidsprojektionskamera(VPK). Faktum är att VPK är en stor, flera meter stor, cylindrisk drivcell. I hela sin volym skapas ett enhetligt elektriskt fält längs cylinderns axel. Hela det virvlande joniseringsspåret, som partiklar lämnar när de flyger genom denna kammare, driver jämnt till cylinderns ändar och behåller sin rumsliga form. Banorna "projiceras" så att säga på ändarna av kammaren, där ett stort antal läselement registrerar laddningens ankomst. De radiella och vinkelmässiga koordinaterna bestäms av sensornumret och koordinaten längs cylinderaxeln bestäms av tiden för signalens ankomst. Tack vare detta är det möjligt att återställa en tredimensionell bild av partiklars rörelse.

Bland experimenten som körs vid LHC använder ALICE-detektorn tidsprojektionskameran.

Roman Pots detektorer

Det finns en speciell typ av halvledarpixeldetektorer som fungerar direkt inuti vakuumröret, i nära anslutning till balken. De föreslogs först på 1970-talet av en forskargrupp från Rom och har sedan dess blivit kända som romerska krukor("romerska krukor").

Roman Pots-detektorer har designats för att detektera partiklar som avviker i mycket små vinklar under en kollision. Konventionella detektorer placerade utanför vakuumröret är olämpliga här helt enkelt för att en partikel som sänds ut i en mycket liten vinkel kan flyga många kilometer inuti vakuumröret, svänga med helljuset och inte fly. För att registrera sådana partiklar är det nödvändigt att placera små detektorer inuti vakuumröret tvärs över strålens axel, men utan att röra själva strålen.

För att göra detta, vid en viss sektion av accelerationsringen, vanligtvis på ett avstånd av hundratals meter från kollisionspunkten för kolliderande strålar, införs en speciell sektion av ett vakuumrör med tvärgående "hylsor". Små, flera centimeter stora, pixeldetektorer placeras i dem på mobila plattformar. När strålen precis injiceras är den fortfarande instabil och har stor tvärgående vibrationer. Detektorerna är för närvarande gömda inuti hylsorna för att undvika skador från en direkt strålträff. Efter att strålen har stabiliserats rör sig plattformarna ut ur sina armar och flyttar de känsliga matriserna för Roman Pots-detektorerna i närheten av strålen, på ett avstånd av 1-2 millimeter. I slutet av nästa cykel av gaspedalen, innan den gamla strålen släpps och en ny injiceras, dras detektorerna tillbaka i sina armar och väntar på nästa operationssession.

Pixeldetektorerna som används i Roman Pots skiljer sig från konventionella vertexdetektorer genom att de maximerar den del av skivans yta som upptas av avkänningselementen. I synnerhet på kanten av plattan, som är närmast strålen, finns det praktiskt taget ingen okänslig "död" zon ( "kantlös"-teknologi).

Ett av experimenten vid Large Hadron Collider, TOTEM, kommer bara att använda flera av dessa detektorer. Fler liknande projekt är under utveckling. Spetsdetektorn för LHCb-experimentet bär också några delar av denna teknik.

Du kan läsa mer om dessa detektorer i CERN Courier-artikeln Romerska krukor för LHC eller i den tekniska dokumentationen för TOTEM-experimentet.

Kalorimetrar

Kalorimetrar mäter energin hos elementarpartiklar. För att göra detta, lägg på partiklarnas väg tjockt lager tätt ämne (vanligtvis tungmetall - bly, järn, mässing). En partikel i den kolliderar med elektroner eller atomkärnor och genererar som ett resultat en ström av sekundära partiklar - dusch. Den initiala partikelns energi fördelas på alla duschpartiklar, så att energin för varje enskild partikel i denna dusch blir liten. Som ett resultat fastnar duschen i ämnets tjocklek, dess partiklar absorberas och förintas, och en del, ganska bestämd, bråkdel av energin frigörs i form av ljus. Denna ljusblixt samlas upp i ändarna av kalorimetern av fotomultiplikatorer, som omvandlar den till en elektrisk impuls. Dessutom kan duschenergin mätas genom att samla jonisering med känsliga plattor.

Elektroner och fotoner, som passerar genom materia, kolliderar huvudsakligen med elektronskal atomer och genererar en elektromagnetisk dusch - en ström av ett stort antal elektroner, positroner och fotoner. Sådana skurar utvecklas snabbt på grunda djup och absorberas vanligtvis i ett material som är flera tiotals centimeter tjockt. Högenergi-hadroner (protoner, neutroner, pi-mesoner och K-mesoner) förlorar energi främst på grund av kollisioner med kärnor. I det här fallet genereras en hadron-dusch, som tränger mycket djupare in i materiens tjocklek än en elektromagnetisk, och dessutom är den bredare. Därför, för att helt absorbera en hadronisk dusch från en partikel med mycket hög energi, krävs en eller två meter materia.

Skillnaden mellan egenskaperna hos elektromagnetiska duschar och hadronduschar används maximalt i moderna detektorer. Kalorimetrar görs ofta i två lager: insidan är placerad elektromagnetiska kalorimetrar, där övervägande elektromagnetiska duschar absorberas, och utanför - hadron kalorimetrar, som "nås" endast av hadron-skurar. Således mäter kalorimetrar inte bara energi, utan bestämmer också "typ av energi" - om den är av elektromagnetiskt eller hadroniskt ursprung. Detta är mycket viktigt för korrekt förståelse inträffade i mitten av protonkollisionsdetektorn.

För att registrera en dusch med optiska medel måste materialet i kalorimetern ha scintillationsegenskaper. PÅ scintillator fotoner med en våglängd absorberas mycket effektivt, vilket leder till excitation av ämnets molekyler, och denna excitation avlägsnas genom att sända ut fotoner med lägre energi. För de emitterade fotonerna är scintillatorn redan genomskinlig, och därför kan de nå kanten av den kalorimetriska cellen. Kalorimetrar använder standard, länge studerade scintillatorer, för vilka det är välkänt vilken del av energin hos den initiala partikeln som omvandlas till en optisk blixt.

För att effektivt absorbera duschar är det nödvändigt att använda den tätaste möjliga substansen. Det finns två sätt att förena detta krav med kraven för scintillatorer. Först kan man välja mycket tunga scintillatorer och fylla kalorimetern med dem. För det andra är det möjligt att göra en "puff" av alternerande plattor av ett tungt ämne och en lätt scintillator. Det finns också mer exotiska versioner av kalorimeterns design, till exempel "spaghetti"-kalorimetrar, i vilka många tunna kvartsfibrer är inbäddade i en massiv absorberande matris. En dusch, som utvecklas längs en sådan kalorimeter, skapar Cherenkov-ljus i kvartsen, vilket matas ut genom fibrerna till slutet av kalorimetern.

Noggrannheten för att återställa energin hos en partikel i en kalorimeter förbättras med ökande energi. För partiklar med energier på hundratals GeV är felet ungefär en procent för elektromagnetiska kalorimetrar och några procent för hadroniska.

Muon kammare

Ett karakteristiskt drag hos myoner är att de förlorar energi mycket långsamt när de rör sig genom materia. Detta beror på det faktum att de å ena sidan är mycket tunga, därför kan de inte effektivt överföra energi till elektroner i en kollision, och för det andra deltar de inte i stark interaktion, därför är de svagt spridda av kärnor. Som ett resultat kan myoner flyga många meter av materia innan de stannar och tränga in där inga andra partiklar kan nå.

Detta gör det å ena sidan omöjligt att mäta energin hos myoner med hjälp av kalorimetrar (en muon kan trots allt inte absorberas helt), men å andra sidan gör det det möjligt att särskilja myoner från andra partiklar bra. I moderna detektorer myonkammare placerad i detektorns yttersta lager, ofta även utanför det massiva metalloket som skapar ett magnetfält i detektorn. Sådana rör mäter inte energin, utan rörelsemängden hos myoner, och samtidigt kan man med god säkerhet anta att dessa partiklar är just myoner, och inte något annat. Det finns flera varianter av myonkammare som används för olika ändamål.

Partikelidentifiering

En separat fråga är partikelidentifiering, det vill säga att ta reda på vilken typ av partikel som flög genom detektorn. Detta skulle inte vara svårt om vi kände till partikelns massa, men det är just detta som vi vanligtvis inte vet. Å ena sidan kan massan i princip beräknas med hjälp av formlerna för relativistisk kinematik, med kännedom om partikelns energi och rörelsemängd, men tyvärr är felen i deras mätning vanligtvis så stora att de inte tillåter särskiljning av t.ex. , en pi-meson från en myon på grund av deras närhet wt.

I denna situation finns det fyra huvudsakliga metoder för att identifiera partiklar:

Förbi svar i olika typer kalorimetrar och myonrör.
Förbi energifrigöring i spårdetektorer. Diverse partiklar producera olika mängder jonisering per centimeter av vägen, och detta kan mätas med signalstyrka från spårdetektorer.
Genom att använda Cherenkov kontrar. Om en partikel flyger genom ett transparent material med brytningsindex n med en hastighet högre än ljusets hastighet i det materialet (det vill säga större än c/n), då avger den Cherenkov-strålning i strikt definierade riktningar. Om vi tar aerogel som detektorsubstans (det typiska brytningsindexet n= 1,03), då Cherenkov-strålningen från partiklar som rör sig med en hastighet av 0,99 c och 0,995 c, kommer att skilja sig betydligt.
Genom att använda tid-of-flight kameror. I dem, med hjälp av detektorer med en mycket hög tidsupplösning, mäts flygtiden för en partikel i en viss del av kammaren och dess hastighet beräknas utifrån detta.

Var och en av dessa metoder har sina egna svårigheter och fel, så partikelidentifiering är vanligtvis inte garanterad att vara korrekt. Ibland kan programmet för att bearbeta "rå" data från detektorn komma till slutsatsen att en myon flög genom detektorn, även om det i själva verket var en pion. Det är omöjligt att bli av med sådana fel helt. Det återstår bara att noggrant studera detektorn före drift (till exempel med hjälp av kosmiska myoner), ta reda på andelen fall av felaktig identifiering av partiklar och alltid ta hänsyn till det när du bearbetar verkliga data.

Krav på detektorer

Moderna partikeldetektorer kallas ibland för digitalkamerornas "store bröder". Det är dock värt att komma ihåg att driftsförhållandena för kameran och detektorn är fundamentalt olika.

Först och främst måste alla delar av detektorn vara väldigt snabbt och mycket exakt synkroniserade med varandra. Vid Large Hadron Collider kommer buntarna att kollidera 40 miljoner gånger per sekund vid toppprestanda. Vid varje kollision kommer födelsen av partiklar att ske, som kommer att lämna sin "bild" i detektorn, och detektorn får inte "kvävas" av denna ström av "bilder". Som ett resultat, på 25 nanosekunder, krävs det att samla all jonisering som lämnas av flygande partiklar, omvandla den till elektriska signaler och rengöra detektorn, förbereda den för nästa portion partiklar. På 25 nanosekunder flyger partiklar bara 7,5 meter, vilket är jämförbart med storleken på stora detektorer. Medan jonisering från passerande partiklar samlas i de yttre skikten av detektorn, flyger partiklar från nästa kollision redan genom dess inre skikt!

Det andra nyckelkravet för detektorn är strålningsmotstånd. Elementarpartiklar som flyger bort från kollisionsplatsen för klasar är verklig strålning och mycket hård. Till exempel är den förväntade absorberade dosen av joniserande strålning som vertexdetektorn kommer att ta emot under drift 300 kilogrå plus ett totalt neutronflöde på 5·10 14 neutroner per cm 2 . Under dessa förhållanden bör detektorn fungera i flera år och fortfarande vara funktionsduglig. Detta gäller inte bara materialen i själva detektorn utan också elektroniken som den är fylld med. Det tog flera år att skapa och testa feltålig elektronik som fungerar under så tuffa strålningsförhållanden.

Ett annat krav för elektronik - låg effekt. Inuti multimeterdetektorer finns det inget ledigt utrymme - varje kubikcentimeter volym är fylld med användbar utrustning. Kylsystemet tar oundvikligen bort detektorns arbetsvolym - trots allt, om en partikel flyger rakt igenom kylröret kommer den helt enkelt inte att registreras. Därför bör energiutsläppet från elektroniken (hundratusentals separata kort och ledningar som tar information från alla komponenter i detektorn) vara minimal.

Ytterligare litteratur:

K. Groupen. "Elementära partikeldetektorer" // Siberian Chronograph, Novosibirsk, 1999.
Partikeldetektorer (PDF, 1,8 Mb).
Partikeldetektorer // kapitel från studiehandledningen B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. "Partiklar och kärnor. Experimentera". M.: Moscow State Universitys förlag, 2005.
N. M. Nikityuk. Precisionsmikroapexdetektorer (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, vol. 28, nr. 1, s. 191-242 (1997).

I 2 kap. XXIII bekantade vi oss med enheterna som används för att detektera mikropartiklar - en molnkammare, en scintillationsräknare, en gasurladdningsräknare. Även om dessa detektorer används i elementära partikelstudier är de inte alltid bekväma. Faktum är att de mest intressanta processerna för interaktion, åtföljda av ömsesidiga omvandlingar av elementära partiklar, inträffar mycket sällan. En partikel måste möta många nukleoner eller elektroner på väg för att en intressant kollision ska inträffa. I praktiken måste den gå genom en bana som mäts i tiotals centimeter - meter i tät materia (på en sådan bana förlorar en laddad partikel med en energi på miljarder elektronvolt bara en del av sin energi på grund av jonisering).

Men i en grumlingskammare eller en gasurladdningsräknare är det känsliga lagret (i termer av ett tätt ämne) extremt tunt. I samband med detta har några andra metoder för att detektera partiklar tillämpats.

Den fotografiska metoden visade sig vara mycket fruktbar. I speciella finkorniga fotografiska emulsioner lämnar varje laddad partikel som korsar emulsionen ett spår, som efter framkallning av plattan detekteras under ett mikroskop i form av en kedja av svarta korn. Genom naturen av spåret som lämnas av en partikel i en fotografisk emulsion, kan man bestämma denna partikels natur - dess laddning, massa och energi. Den fotografiska metoden är bekväm inte bara för att tjocka material kan användas, utan också för att spår av laddade partiklar i en fotografisk platta, i motsats till en molnkammare, inte försvinner snart efter partikelns passage. När man studerar sällsynta händelser kan register exponeras länge sedan; detta är särskilt användbart i studier av kosmisk strålning. Exempel på sällsynta händelser som fångats i fotografisk emulsion visas ovan i fig. 414, 415; Fig. är särskilt intressant. 418.

En annan anmärkningsvärd metod är baserad på användningen av egenskaperna hos överhettade vätskor (se volym I, § 299). När en mycket ren vätska värms till en temperatur till och med något över kokpunkten, kokar inte vätskan, eftersom ytspänning förhindrar bildandet av ångbubblor. Den amerikanske fysikern Donald Glaeser (f. 1926) noterade 1952 att en överhettad vätska omedelbart kokar när den bestrålas tillräckligt intensivt; den extra energi som frigörs i spåren av snabba elektroner som skapas i vätskan genom strålning ger förutsättningar för bildandet av bubblor.

Baserat på detta fenomen utvecklade Glaeser den så kallade flytande bubbelkammaren. Vätska kl högt blodtryck upphettas till en temperatur nära, men lägre än, kokpunkten. Sedan minskar trycket och därmed kokpunkten och vätskan överhettas. Ett spår av ångbubblor bildas längs banan för en laddad partikel som passerar vätskan i detta ögonblick. Med rätt belysning kan den fångas av en kamera. Som regel är bubbelkammare placerade mellan polerna på en stark elektromagnet, magnetfältet böjer partikelbanorna. Genom att mäta partikelspårets längd, dess krökningsradie och bubblornas täthet är det möjligt att fastställa partikelns egenskaper. Nu har bubbelkammare nått en hög nivå av perfektion; arbete, till exempel, kammare fyllda med flytande väte, med en känslig volym på flera kubikmeter. Exempel på fotografier av spår av partiklar i en bubbelkammare visas i fig. 416, 417, 419, 420.

Ris. 418. Transformationer av partiklar registrerade i en stapel av fotografiska emulsioner bestrålade med kosmisk strålning. Vid ett tillfälle orsakade en osynlig snabb neutral partikel splittringen av en av emulsionskärnorna och bildade mesoner (en "stjärna" med 21 spår). En av mesonerna, -mesonen, efter att ha färdats en bana runt (endast början och slutet av spåret visas på fotografiet; med den förstoring som användes i fotografiet skulle längden på hela spåret ha varit ), stannade kl. en punkt och förföll enligt schemat . -meson, vars spår är riktat nedåt, fångades av kärnan vid punkten, vilket orsakade dess splittring. Ett av splittringsfragmenten var kärnan, som genom sönderfall förvandlades till en kärna, som omedelbart sönderdelade till två partiklar som flyger i motsatta riktningar - på bilden bildar de en "hammare". -meson, efter att ha stannat, förvandlats till -muon (och neutrino) (punkt). Slutet på -muon-spåret ges till höger övre hörnet teckning; spåret av positronen som bildas under sönderfallet är synligt.

Ris. 419. Bildning och förfall av -hyperoner. I en väte bubbelkammare i ett magnetfält och bestrålat med antiprotoner, reaktionen . Det inträffade vid ledens slutpunkt (se diagram överst i figuren). Neutrala lambda- och anti-lambda-hyperoner, som har flugit en kort sträcka utan att ett spår bildats, förfaller enligt scheman. Antiprotonen förintas med protonen och bildar två och två -meson-kvant på protonen; proton gör det inte synliga spår, eftersom den, på grund av den stora massan, inte får tillräcklig energi när den interagerar med -kvantumet