เครื่องตรวจจับอนุภาค หลักการทางกายภาพของการตรวจจับอนุภาคมูลฐาน

เครื่องตรวจจับอนุภาค "ของจริง" เช่นเดียวกับที่ Large Hadron Collider มีราคาหลายล้านดอลลาร์และหนักหลายร้อยตัน แต่เราจะพยายามใช้งบประมาณเจียมเนื้อเจียมตัวมากกว่านี้

เราต้องการ:

น้ำแข็งแห้ง (ประมาณ 80 รูเบิลต่อกิโลกรัมแนะนำให้ซื้อภาชนะเก็บความร้อนแบบพลาสติกโฟมสำหรับอีก 300 รูเบิล - มิฉะนั้นทุกสิ่งที่คุณซื้อจะระเหยเร็วเกินไป) ไม่จำเป็นต้องใช้น้ำแข็งแห้งจำนวนมากกิโลกรัมก็เพียงพอแล้ว
ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ (ราคา 370 รูเบิลต่อ 0.5 ลิตรขายในร้านขายอุปกรณ์วิทยุ);
สักหลาด (ร้านเย็บผ้าประมาณ 150 รูเบิล);
กาวติดผ้าสักหลาดที่ด้านล่างของภาชนะ (“ Moment”, 150 rubles);
ภาชนะใสเช่นตู้ปลาพลาสติกที่มีฝาปิด (เราซื้อภาชนะพลาสติกแข็งสำหรับอาหาร 1.5 พันรูเบิล);
ยืนสำหรับน้ำแข็งแห้งอาจเป็น cuvette ถ่ายภาพ (พบได้ในห้องครัวบรรณาธิการ);
ไฟฉาย.

มาเริ่มกันเลยดีกว่า ก่อนอื่นคุณต้องติดแผ่นสักหลาดที่ด้านล่างของภาชนะแล้วรอสองสามชั่วโมงเพื่อให้กาวแห้ง หลังจากนั้นต้องแช่ผ้าสักหลาดในไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ (ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแอลกอฮอล์ไม่เข้าตา!) เป็นที่พึงประสงค์ว่าผ้าสักหลาดนั้นอิ่มตัวด้วยแอลกอฮอล์อย่างสมบูรณ์ ส่วนที่เหลือจะต้องระบายออก จากนั้นเทน้ำแข็งแห้งที่ด้านล่างของคิวเวตต์ ปิดฝาภาชนะแล้ววางในน้ำแข็งแห้งโดยปิดฝาลง ตอนนี้คุณต้องรอให้อากาศภายในห้องอิ่มตัวด้วยไอแอลกอฮอล์

หลักการทำงานของห้องเมฆ (หรือที่เรียกว่า "ห้องหมอก") คือแม้การกระแทกที่เบามากก็ทำให้ไอแอลกอฮอล์อิ่มตัวควบแน่น ด้วยเหตุนี้ แม้แต่ผลกระทบของอนุภาคคอสมิกยังทำให้ไอเกิดการควบแน่น และเกิดเป็นลูกโซ่ของหยดละอองขนาดเล็ก - ราง - ในห้องเพาะเลี้ยง

คุณสามารถชมการทดลองได้ในวิดีโอของเรา:

หมายเหตุจากประสบการณ์เล็กน้อย: คุณไม่ควรซื้อน้ำแข็งแห้งมากเกินไป เพราะน้ำแข็งจะระเหยจนหมดภายในเวลาไม่ถึงวันแม้จะอยู่ในภาชนะเก็บความร้อน และคุณไม่น่าจะหาตู้เย็นอุตสาหกรรมได้ ฝาภาชนะใสต้องเป็นสีดำ ตัวอย่างเช่น คุณสามารถปิดฝาจากด้านล่างด้วยกระจกสีดำได้ แทร็กจะมองเห็นได้ดีขึ้นบนพื้นหลังสีดำ คุณต้องดูที่ก้นภาชนะให้แน่ชัดซึ่งมีการเกิดหมอกลักษณะเฉพาะคล้ายกับฝนตกปรอยๆ มันอยู่ในหมอกนี้ที่มีร่องรอยของอนุภาคปรากฏขึ้น

แทร็กใดที่สามารถเห็นได้:

สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่อนุภาคของจักรวาล รอยทางที่สั้นและหนาคือร่องรอยของอนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของเรดอนก๊าซกัมมันตภาพรังสี ซึ่งซึมออกมาจากส่วนลึกของโลกอย่างต่อเนื่อง (และสะสมในห้องที่ไม่มีการระบายอากาศ)

ทางแคบยาวถูกทิ้งไว้โดยมิวออนซึ่งเป็นญาติของอิเล็กตรอนที่หนัก (และอายุสั้น) เกิดเป็นหมู่มาก ชั้นบนในบรรยากาศ เมื่ออนุภาคพลังงานสูงชนกับอะตอมและทำให้เกิดการตกตะกอนของอนุภาค ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยมิวออน

วิถีโค้งเป็นสัญญาณของอิเล็กตรอนหรือปฏิปักษ์ของพวกมัน โพซิตรอน พวกมันถูกสร้างขึ้นโดยรังสีคอสมิก ชนกับโมเลกุลของอากาศและสามารถเคลื่อนที่เป็นซิกแซกได้

หากคุณเห็นรอยทางแยกออกเป็นสองส่วน แสดงว่าคุณโชคดี: คุณได้เห็นการสลายตัวของอนุภาคหนึ่งเป็นสอง

ชอบ? สมัครสมาชิก N+1 ที่

วันที่ 29 เมษายน ในตอนดึก (เลื่อนกำหนดการสำหรับตอนนี้) NASA ปล่อยเครื่องตรวจจับ Cern ขึ้นสู่วงโคจร อนุภาคมูลฐาน AMS-02. เครื่องตรวจจับนี้สร้างขึ้นมา 10 ปีแล้ว "พี่น้อง" ที่เก่ากว่านั้นกำลังทำงานด้วยกำลังและหลักที่ Large Hadron Collider นั่นคือใต้ดินและตัวนี้จะบินสู่อวกาศ! :)

นี่คือข่าวประชาสัมพันธ์ cern นี่คือสตรีมสดของการเปิดตัวเริ่มเวลา 21:30 น. CET ทวิตเตอร์จะส่งรายงานด้วย การเปิดตัวและผลงานที่ตามมาทั้งหมดสามารถติดตามได้จากเว็บไซต์ของการทดสอบ ระหว่างนี้ผมจะพูดถึงเครื่องและ งานทางวิทยาศาสตร์.

AMS-02 เป็นเครื่องตรวจจับอนุภาคมูลฐานจริงที่มีคุณสมบัติ (เกือบ) ทั้งหมด ขนาด 4 เมตร น้ำหนัก 8.5 ตัน แน่นอนว่ามันเทียบไม่ได้กับยักษ์ใหญ่อย่าง ATLAS แต่สำหรับการปล่อยสู่อวกาศ (และการติดตั้งบนสถานีอวกาศนานาชาติ) นี่ยังไม่เพียงพอ

หากเครื่องตรวจจับใต้ดินบันทึกอนุภาคที่เกิดระหว่างการชนกันของโปรตอนและอนุภาคอื่นๆ ที่มนุษย์สร้างขึ้น ดังนั้น AMS-02 จะลงทะเบียนรังสีคอสมิก ซึ่งเป็นอนุภาคของพลังงานที่สูงมากซึ่งมาจากห้วงอวกาศลึก ซึ่งกระจายอยู่บน "เครื่องเร่งความเร็วตามธรรมชาติ" แน่นอนว่ารังสีคอสมิกได้รับการศึกษามาเป็นเวลานานเกือบศตวรรษแล้ว แต่ความลึกลับมากมายยังคงเกี่ยวข้องกับพวกมัน

งานที่สำคัญที่สุดของเครื่องตรวจจับใหม่คือการวัดองค์ประกอบของรังสีคอสมิกด้วยความแม่นยำสูงพิเศษ สัดส่วนของปฏิสสารในรังสีคอสมิกเป็นเท่าไหร่? พลังงานเปลี่ยนไปอย่างไร? มีอนุภาคที่มีเสถียรภาพหนักชนิดใหม่ (อนุภาคสสารมืด) ในปริมาณเล็กน้อยที่ไม่สามารถเกิดที่การชนกัน แต่จักรวาลสามารถก่อให้เกิดอะไรได้บ้าง? หรือคุณสมบัติที่ละเอียดอ่อนบางอย่างในสเปกตรัมพลังงานของอนุภาคธรรมดาอาจบ่งชี้ว่าเกิดจากการสลายตัวของอนุภาค superheavy ที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน?

AMS-02 จะศึกษาปัญหาเหล่านี้โดยการลงทะเบียนเส้นทางของอนุภาครังสีคอสมิกผ่านวัสดุตรวจจับและวัดโมเมนตัม ความเร็ว การปลดปล่อยพลังงาน และประจุ "หน้าต่าง" ของความไวที่เหมาะสมที่สุดของเครื่องตรวจจับในแง่ของพลังงานอนุภาคอยู่ที่ประมาณ 1 GeV ถึง TeV หลายตัว หน้าต่างนี้ครอบคลุมการคาดคะเนของรุ่นต่างๆ และซ้อนทับกับหน้าต่างความไวของเครื่องตรวจจับที่ LHC แต่ต่างจาก Large Hadron Collider ที่นี่เอกภพทำหน้าที่เป็นเครื่องเร่งความเร็ว และอาจส่งผลที่ตามมาในวงกว้าง

ตัวตรวจจับย่อยและระบบย่อย AMS-02 ()

เช่นเดียวกับเครื่องตรวจจับพื้นดินแบบคลาสสิก (ที่แม่นยำกว่าคือใต้ดิน) มีระบบตรวจจับแยกกันหลายระบบในคราวเดียว การวัด ลักษณะที่แตกต่างอนุภาค ต่างจากพวกเขาเท่านั้น AMS-02 ไม่ได้เพียร์ "เข้า" แต่ "มองออกไป"; ดูเหมือนส่วนหนึ่งของเครื่องตรวจจับสมัยใหม่ขั้นสูง

มีการอธิบายอุปกรณ์โดยสังเขปบนเว็บไซต์ของการทดลอง นอกจากนี้ยังมีตัวตรวจจับติดตามที่คืนค่าวิถีโคจร เครื่องตรวจจับ Cherenkov ที่วัดความเร็วของอนุภาค แคลอรีมิเตอร์แม่เหล็กไฟฟ้าที่วัดพลังงานของอนุภาค และระบบอื่นๆ แม่เหล็กสองอันจะแยกประจุที่ต่างกันออกไปในคราวเดียว (ฉันโกหก) จะแยกค่าใช้จ่าย แม่เหล็กถาวร 0.125 เทสลานีโอไดเมียมอัลลอยด์ นอกจากนี้ AMS-02 ยังมีสิ่งที่เครื่องตรวจจับใต้ดินไม่มี - เซ็นเซอร์ GPS และระบบติดตามดาว :)

ทั้งหมดนี้สร้างมา 10 ปี ราคาประมาณ 1.5 กิกะดอลลาร์ ความร่วมมือ AMS ประกอบด้วย 56 สถาบันจาก 16 ประเทศ

สิ่งสำคัญคือตอนนี้สิ่งนี้ได้บินออกไปเรียบร้อยแล้ว พรุ่งนี้เย็นติดตามการเปิดตัว!

อนุภาคมูลฐานนับหมื่นจากอวกาศบินผ่านร่างกายของเราทุกวินาที - มิวออน อิเล็กตรอน นิวตริโนและอื่น ๆ เราไม่รู้สึกและไม่เห็นพวกเขา แต่ไม่ได้หมายความว่าพวกเขาไม่มีอยู่จริง ไม่ได้หมายความว่าจะแก้ไขไม่ได้ เราเสนอผู้อ่าน N+1ประกอบอุปกรณ์ด้วยมือของคุณเองที่จะช่วยให้คุณ "เห็น" ฝนจักรวาลต่อเนื่องนี้

เราต้องการ:

น้ำแข็งแห้ง (ประมาณ 80 รูเบิลต่อกิโลกรัมแนะนำให้ซื้อภาชนะเก็บความร้อนแบบพลาสติกโฟมสำหรับอีก 300 รูเบิล - มิฉะนั้นทุกสิ่งที่คุณซื้อจะระเหยเร็วเกินไป) ไม่จำเป็นต้องใช้น้ำแข็งแห้งจำนวนมากกิโลกรัมก็เพียงพอแล้ว
ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ (ราคา 370 รูเบิลต่อ 0.5 ลิตรขายในร้านขายอุปกรณ์วิทยุ);
สักหลาด (ร้านเย็บผ้าประมาณ 150 รูเบิล);
กาวติดผ้าสักหลาดที่ด้านล่างของภาชนะ (“ Moment”, 150 rubles);
ภาชนะใสเช่นตู้ปลาพลาสติกที่มีฝาปิด (เราซื้อภาชนะพลาสติกแข็งสำหรับอาหาร 1.5 พันรูเบิล);
ยืนสำหรับน้ำแข็งแห้งอาจเป็น cuvette ถ่ายภาพ (พบได้ในห้องครัวบรรณาธิการ);
ไฟฉาย.

คุณสามารถชมการทดลองได้ในวิดีโอของเรา:

แทร็กใดที่สามารถเห็นได้:

นิตยสารสมมาตร

ทางแคบยาวถูกทิ้งไว้โดยมิวออนซึ่งเป็นญาติของอิเล็กตรอนที่หนัก (และอายุสั้น) พวกมันถูกผลิตขึ้นอย่างมากมายในบรรยากาศชั้นบนเมื่ออนุภาคพลังงานสูงชนกับอะตอมและสร้างอนุภาคทั้งหมดซึ่งส่วนใหญ่เป็นมิวออน

ในเรื่องใด ๆ การทดลองทางกายภาพจำเป็นต้องเรียนอนุภาคมูลฐานก่อน ใส่ทดลองแล้ว ลงทะเบียนผลลัพธ์ของเขา เครื่องเร่งความเร็วมีส่วนร่วมในการตั้งค่าการทดลอง (การชนกันของอนุภาค) และศึกษาผลการชนกันโดยใช้ เครื่องตรวจจับอนุภาคมูลฐาน.

ในการสร้างภาพการชนกันขึ้นใหม่ ไม่เพียงแต่จำเป็นต้องค้นหาว่าอนุภาคใดเกิด แต่ยังต้องวัดลักษณะเฉพาะด้วยความแม่นยำอย่างยิ่ง โดยหลักแล้วคือวิถีโคจร โมเมนตัม และพลังงาน ทั้งหมดนี้วัดโดยใช้เครื่องตรวจจับประเภทต่างๆ ซึ่งล้อมรอบบริเวณที่มีการชนกันของอนุภาคในชั้นที่มีศูนย์กลาง

เครื่องตรวจจับอนุภาคมูลฐานสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: เครื่องตรวจจับติดตามซึ่งวัดวิถีของอนุภาคและ แคลอรีมิเตอร์ที่วัดพลังงานของพวกเขา เครื่องตรวจจับรอยพยายามติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคโดยไม่ทำให้เกิดการบิดเบือน ในทางกลับกัน Calorimeters ต้องดูดซับอนุภาคอย่างสมบูรณ์เพื่อวัดพลังงาน เป็นผลให้รูปแบบมาตรฐานของเครื่องตรวจจับที่ทันสมัยเกิดขึ้น: ภายในมีเครื่องตรวจจับแทร็กหลายชั้นและภายนอก - แคลอรีมิเตอร์หลายชั้นรวมถึงพิเศษ เครื่องตรวจจับมิวออน. แบบฟอร์มทั่วไปเครื่องตรวจจับสมัยใหม่ทั่วไปจะแสดงในรูปที่ หนึ่ง.

โครงสร้างและหลักการทำงานของส่วนประกอบหลักของเครื่องตรวจจับสมัยใหม่มีคำอธิบายสั้น ๆ ด้านล่าง เน้นที่บางส่วนมากที่สุด หลักการทั่วไปการตรวจจับ สำหรับเครื่องตรวจจับเฉพาะที่ทำงานที่ Large Hadron Collider โปรดดูที่เครื่องตรวจจับที่ LHC

เครื่องตรวจจับติดตาม

เครื่องตรวจจับติดตามสร้างวิถีใหม่ของอนุภาค พวกมันมักจะอยู่ในขอบเขตของสนามแม่เหล็ก จากนั้นโมเมนตัมของอนุภาคสามารถกำหนดได้จากความโค้งของวิถีโคจรของอนุภาค

การทำงานของเครื่องตรวจจับรอยตามนั้นขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าอนุภาคที่มีประจุผ่านจะสร้างเส้นทางไอออไนเซชัน - นั่นคือมันกระแทกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมในเส้นทางของมัน ในกรณีนี้ ความเข้มข้นของไอออไนซ์จะขึ้นอยู่กับชนิดของอนุภาคและวัสดุของเครื่องตรวจจับ อิเล็กตรอนอิสระถูกรวบรวมโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเป็นสัญญาณที่รายงานพิกัดของอนุภาค

เครื่องตรวจจับจุดสุดยอด

ประชุมสุดยอด(ไมโครเวอร์เท็กซ์ พิกเซล) เครื่องตรวจจับ- นี่คือเครื่องตรวจจับสารกึ่งตัวนำแบบหลายชั้น ซึ่งประกอบด้วยแผ่นบางๆ แยกต่างหากที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ติดอยู่โดยตรง นี่คือชั้นในสุดของเครื่องตรวจจับ: โดยปกติแล้วจะเริ่มทันทีนอกหลอดสุญญากาศ (บางครั้งชั้นแรกจะติดตั้งโดยตรงที่ผนังด้านนอกของหลอดสุญญากาศ) และใช้ช่วงสองสามเซนติเมตรแรกในแนวรัศมี ซิลิคอนมักถูกเลือกให้เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากมีความต้านทานการแผ่รังสีสูง

โดยพื้นฐานแล้วเครื่องตรวจจับจุดยอดทำงานในลักษณะเดียวกับเซ็นเซอร์กล้องดิจิตอล เมื่ออนุภาคที่มีประจุบินผ่านจานนี้ มันจะทิ้งร่องรอยไว้ - ไอออไนเซชันมีเมฆขนาดหลายสิบไมครอน อิออไนเซชันนี้อ่านโดยองค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ใต้พิกเซลโดยตรง การรู้พิกัดของจุดตัดของอนุภาคที่มีแผ่นตรวจจับพิกเซลต่อเนื่องกันหลายแผ่น จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างวิถีสามมิติของอนุภาคขึ้นใหม่และติดตามพวกมันกลับเข้าไปในท่อ ผ่านจุดตัดของวิถีที่สร้างขึ้นใหม่ดังกล่าว ณ จุดหนึ่งในอวกาศ จุดยอด- จุดที่อนุภาคเหล่านี้เกิด.

บางครั้งปรากฎว่ามีจุดยอดหลายจุด และจุดหนึ่งมักจะอยู่บนแกนของการชนกันของลำแสงที่ชนกัน (จุดยอดหลัก) โดยตรง และจุดที่สองอยู่ห่างออกไป โดยปกติหมายความว่าโปรตอนชนกันที่จุดยอดปฐมภูมิและทำให้เกิดอนุภาคหลายตัวในทันที แต่บางตัวสามารถบินได้ไกลพอสมควรก่อนที่จะสลายตัวเป็นอนุภาคย่อย

ในเครื่องตรวจจับที่ทันสมัย ความแม่นยำในการสร้างจุดยอดขึ้นใหม่ถึง 10 ไมครอน ทำให้สามารถลงทะเบียนเคสได้อย่างน่าเชื่อถือเมื่อจุดยอดทุติยภูมิอยู่ห่างจากแกนชนกัน 100 ไมครอน มันอยู่ในระยะทางที่แม่นยำที่เฮดรอน metastable ต่างๆ บินออกไป ซึ่งมีควาร์ก c- หรือ b-quark อยู่ในองค์ประกอบ ดังนั้นเครื่องตรวจจับจุดยอดคือ เครื่องมือที่จำเป็นเครื่องตรวจจับ LHCb ซึ่งงานหลักคือการศึกษาฮาดรอนเหล่านี้

เซมิคอนดักเตอร์ทำงานบนหลักการที่คล้ายคลึงกัน เครื่องตรวจจับไมโครสตริปซึ่งแทนที่จะใช้พิกเซลขนาดเล็กจะใช้วัสดุที่ละเอียดอ่อนที่บางที่สุด แต่ค่อนข้างยาว ในนั้นไอออไนเซชันจะไม่ตกตะกอนในทันที แต่จะเลื่อนไปตามแถบและอ่านได้ในตอนท้าย แถบนี้ได้รับการออกแบบในลักษณะที่ความเร็วของการเคลื่อนที่ของประจุในเมฆจะคงที่และไม่เบลอ ดังนั้น เมื่อทราบช่วงเวลาที่ประจุมาถึงองค์ประกอบการอ่าน จึงสามารถคำนวณพิกัดของจุดที่อนุภาคที่มีประจุเจาะทะลุแถบได้ ความละเอียดเชิงพื้นที่ของเครื่องตรวจจับไมโครสตริปนั้นแย่กว่าตัวตรวจจับพิกเซล แต่สามารถครอบคลุมได้มากกว่านั้น เกี่ยวกับพื้นที่ขนาดใหญ่เนื่องจากไม่ต้องการเช่น จำนวนมากองค์ประกอบการอ่าน

กล้องดริฟท์

กล้องดริฟท์- เป็นห้องที่เติมก๊าซซึ่งอยู่นอกตัวตรวจจับรางเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งระดับการแผ่รังสีค่อนข้างต่ำและไม่จำเป็นต้องระบุตำแหน่งที่มีความแม่นยำสูง เช่นเดียวกับเครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์

ห้องดริฟท์แบบคลาสสิกคือท่อที่บรรจุก๊าซ ซึ่งภายในมีสายที่บางมากถูกยืดออก มันทำงานเหมือนเครื่องตรวจจับจุดยอด แต่ไม่ใช่บนจานแบน แต่อยู่ในปริมาตร สายไฟทั้งหมดอยู่ภายใต้ความตึงเครียดและการเลือกการจัดวางในลักษณะที่เป็นชุดเดียวกัน สนามไฟฟ้า. เมื่ออนุภาคที่มีประจุบินผ่านห้องแก๊ส มันจะทิ้งร่องรอยไอออไนซ์เชิงพื้นที่ไว้ ภายใต้อิทธิพล สนามไฟฟ้าอิออไนเซชัน (อย่างแรกคือ อิเล็กตรอน) เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ (นักฟิสิกส์พูดว่า "ลอย") ตามแนวสนามไปทางสายแอโนด เมื่อไปถึงขอบของห้องเพาะเลี้ยง อิออไนเซชันจะถูกดูดกลืนโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทันที ซึ่งจะส่งสัญญาณพัลส์ไปยังเอาต์พุต เนื่องจากมีองค์ประกอบการอ่านจำนวนมาก สัญญาณจากองค์ประกอบดังกล่าวจึงสามารถนำมาใช้เพื่อคืนค่าพิกัดของอนุภาคที่ผ่าน และด้วยเหตุนี้เส้นทางวิถีจึงแม่นยำดี

โดยปกติปริมาณไอออไนซ์ที่สร้างใน ห้องแก๊สอนุภาคผ่านมีขนาดเล็ก เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของการเก็บประจุและการลงทะเบียน และลดข้อผิดพลาดในการวัด จำเป็นต้องขยายสัญญาณก่อนที่จะลงทะเบียนโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทำได้โดยใช้เครือข่ายพิเศษของสายแอโนดและแคโทดที่ทอดยาวใกล้กับอุปกรณ์การอ่าน เมฆอิเล็กตรอนเคลื่อนผ่านใกล้กับลวดแอโนดทำให้เกิดหิมะถล่มซึ่งเป็นผลมาจากการที่สัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ถูกคูณ

ยิ่งสนามแม่เหล็กแรงขึ้นและขนาดของเครื่องตรวจจับมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่าใด วิถีโคจรของอนุภาคก็จะยิ่งเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรงมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งหมายความว่ายิ่งสามารถวัดรัศมีความโค้งของวัตถุและสร้างโมเมนตัมของอนุภาคขึ้นใหม่ได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นเพื่อศึกษาปฏิกิริยากับอนุภาคที่มีพลังงานสูงมาก หลายร้อย GeV และ TeV จึงควรสร้างเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่ขึ้นและใช้งาน สนามแม่เหล็กแข็งแกร่งขึ้น ด้วยเหตุผลทางวิศวกรรมล้วนๆ มักจะสามารถเพิ่มค่าเหล่านี้ได้เพียงค่าใดค่าหนึ่งโดยเสียค่าใช้จ่ายอีกค่าหนึ่ง เครื่องตรวจจับที่ใหญ่ที่สุดสองเครื่องที่ LHC - ATLAS และ CMS - ต่างกันตรงที่ค่าเหล่านี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุด ที่เครื่องตรวจจับ ATLAS ขนาดใหญ่ขึ้นแต่สนามเล็กกว่าในขณะที่เครื่องตรวจจับ CMS มีสนามที่แข็งแกร่งกว่า แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีขนาดกะทัดรัดกว่า

กล้องฉายเวลา

ห้องดริฟท์ชนิดพิเศษคือสิ่งที่เรียกว่า กล้องฉายเวลา(วีพีเค). อันที่จริง VPK เป็นเซลล์ดริฟท์ทรงกระบอกขนาดใหญ่หลายเมตรหนึ่งเซลล์ ในปริมาตรทั้งหมด จะมีการสร้างสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอตามแกนของกระบอกสูบ วิถีไอออไนเซชันแบบหมุนวนทั้งหมด ซึ่งอนุภาคหลุดออกมาเมื่อบินผ่านห้องนี้ ล่องลอยไปจนสุดปลายกระบอกสูบอย่างสม่ำเสมอ โดยคงรูปทรงเชิงพื้นที่ไว้ วิถีเป็นไปตามที่มันเป็น "ฉาย" ไปยังส่วนท้ายของห้องซึ่งมีองค์ประกอบการอ่านจำนวนมากลงทะเบียนการมาถึงของประจุ พิกัดแนวรัศมีและเชิงมุมถูกกำหนดโดยหมายเลขเซ็นเซอร์ และพิกัดตามแกนทรงกระบอกจะถูกกำหนดโดยเวลาที่สัญญาณมาถึง ด้วยเหตุนี้จึงสามารถคืนค่าภาพสามมิติของการเคลื่อนที่ของอนุภาคได้

ในบรรดาการทดลองที่ทำงานที่ LHC เครื่องตรวจจับ ALICE ใช้กล้องฉายภาพเวลา

เครื่องตรวจจับหม้อโรมัน

มีเครื่องตรวจจับพิกเซลเซมิคอนดักเตอร์ชนิดพิเศษที่ทำงานโดยตรง ภายในหลอดสุญญากาศ, ใกล้กับลำแสง. พวกเขาได้รับการเสนอครั้งแรกในปี 1970 โดยกลุ่มวิจัยจากกรุงโรมและต่อมาได้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อ กระถางโรมัน("หม้อโรมัน")

เครื่องตรวจจับ Roman Pots ได้รับการออกแบบมาเพื่อตรวจจับอนุภาคที่เบี่ยงเบนจากมุมที่เล็กมากระหว่างการชน เครื่องตรวจจับแบบธรรมดาที่อยู่นอกหลอดสุญญากาศไม่เหมาะสมที่นี่ เพียงเพราะอนุภาคที่ปล่อยออกมาในมุมที่เล็กมากสามารถบินเข้าไปภายในหลอดสุญญากาศได้หลายกิโลเมตร โดยหมุนไปตามลำแสงหลักและไม่หลบหนี ในการลงทะเบียนอนุภาคดังกล่าว จำเป็นต้องวางเครื่องตรวจจับขนาดเล็กไว้ภายในหลอดสุญญากาศโดยข้ามแกนลำแสง แต่ไม่ต้องสัมผัสกับลำแสง

ในการทำเช่นนี้ที่ส่วนหนึ่งของวงแหวนเร่งความเร็วซึ่งมักจะอยู่ห่างจากจุดชนกันของคานชนกันหลายร้อยเมตรจะมีการแทรกส่วนพิเศษของท่อสูญญากาศที่มี "แขน" ตามขวาง เครื่องตรวจจับพิกเซลขนาดเล็กหลายเซนติเมตรวางอยู่บนแพลตฟอร์มมือถือ ตอนฉีดบีมยังไม่เสถียรและมีขนาดใหญ่ การสั่นสะเทือนตามขวาง. เครื่องตรวจจับในเวลานี้ถูกซ่อนอยู่ภายในแขนเสื้อ เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจากการโดนลำแสงโดยตรง หลังจากที่ลำแสงเสถียรแล้ว แท่นจะเคลื่อนออกจากแขนและย้ายเมทริกซ์ที่ละเอียดอ่อนของเครื่องตรวจจับ Roman Pots ในบริเวณใกล้กับลำแสงที่ระยะ 1-2 มิลลิเมตร ในตอนท้ายของรอบคันเร่งถัดไป ก่อนทิ้งลำแสงเก่าและฉีดใหม่ เครื่องตรวจจับจะถูกดึงกลับเข้าไปในอ้อมแขนของพวกเขาและรอเซสชั่นการทำงานต่อไป

เครื่องตรวจจับพิกเซลที่ใช้ใน Roman Pots แตกต่างจากเครื่องตรวจจับจุดยอดทั่วไปตรงที่เพิ่มส่วนของพื้นผิวเวเฟอร์ที่องค์ประกอบการตรวจจับครอบครองให้มากที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งบนขอบของแผ่นซึ่งใกล้กับลำแสงมากที่สุดไม่มีโซน "ตาย" ที่ไม่รู้สึกตัว ( "ไร้ขอบ"-เทคโนโลยี).

หนึ่งในการทดลองที่ Large Hadron Collider, TOTEM จะใช้เครื่องตรวจจับหลายตัว โครงการที่คล้ายคลึงกันอีกหลายโครงการอยู่ระหว่างการพัฒนา เครื่องตรวจจับจุดยอดของการทดลอง LHCb ยังมีองค์ประกอบบางอย่างของเทคโนโลยีนี้

คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับเหล่านี้ได้ในบทความ CERN Courier หม้อโรมันสำหรับ LHC หรือในเอกสารทางเทคนิคของการทดลอง TOTEM

แคลอรีมิเตอร์

Calorimeters วัดพลังงานของอนุภาคมูลฐาน เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้วางบนเส้นทางของอนุภาค ชั้นหนาสารหนาแน่น (มักเป็นโลหะหนัก - ตะกั่ว, เหล็ก, ทองเหลือง) อนุภาคในนั้นชนกับอิเล็กตรอนหรือนิวเคลียสของอะตอม ทำให้เกิดกระแสของอนุภาคทุติยภูมิ - อาบน้ำ. พลังงานของอนุภาคเริ่มต้นจะกระจายไปตามอนุภาคอาบน้ำทั้งหมด เพื่อให้พลังงานของอนุภาคแต่ละตัวในห้องอาบน้ำนี้มีขนาดเล็ก เป็นผลให้ฝักบัวติดอยู่ในความหนาของสารอนุภาคของมันจะถูกดูดซับและทำลายล้างและพลังงานบางส่วนค่อนข้างแน่นอนจะถูกปล่อยออกมาในรูปของแสง แฟลชของแสงนี้ถูกรวบรวมไว้ที่ปลายแคลอริมิเตอร์โดยโฟโตมัลติพลายเออร์ ซึ่งแปลงเป็นแรงกระตุ้นทางไฟฟ้า นอกจากนี้ พลังงานของฝักบัวสามารถวัดได้โดยการรวบรวมไอออไนเซชันด้วยเพลตที่มีความละเอียดอ่อน

อิเล็กตรอนและโฟตอนผ่านสสารชนกับ เปลือกอิเล็กตรอนอะตอมและสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นกระแสของอิเล็กตรอน โพสิตรอนและโฟตอนจำนวนมาก ฝนดังกล่าวก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วที่ระดับความลึกตื้น และมักจะถูกดูดซับในชั้นของสสารที่มีความหนาหลายสิบเซนติเมตร ฮาดรอนพลังงานสูง (โปรตอน นิวตรอน pi-meson และ K-meson) สูญเสียพลังงานเนื่องจากการชนกับนิวเคลียสเป็นหลัก ในกรณีนี้จะมีการสร้างฝักบัวแฮดรอนซึ่งแทรกซึมเข้าไปในความหนาของสสารได้ลึกกว่าแบบแม่เหล็กไฟฟ้าและกว้างกว่า ดังนั้นเพื่อที่จะดูดซับการอาบน้ำของ Hadronic จากอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากอย่างสมบูรณ์จึงจำเป็นต้องมีสสารหนึ่งหรือสองเมตร

ความแตกต่างระหว่างคุณลักษณะของฝักบัวแม่เหล็กไฟฟ้าและฝักบัวฮาดรอนนั้นใช้ในเครื่องตรวจจับที่ทันสมัยที่สุด แคลอรีมิเตอร์มักจะทำสองชั้น: ด้านในตั้งอยู่ เครื่องวัดความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยที่ฝักบัวแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนใหญ่ถูกดูดซับและภายนอก - ฮาดรอน แคลอรีมิเตอร์ซึ่ง "เข้าถึง" ได้ด้วยฝักบัวแฮดรอนเท่านั้น ดังนั้นแคลอรีมิเตอร์จึงไม่เพียงแต่วัดพลังงานเท่านั้น แต่ยังกำหนด "ประเภทของพลังงาน" ด้วย ไม่ว่าจะเป็นแหล่งกำเนิดแม่เหล็กไฟฟ้าหรือฮาดรอน นี่เป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับ ความเข้าใจที่ถูกต้องเกิดขึ้นที่จุดศูนย์กลางของตัวตรวจจับการชนกันของโปรตอน

ในการลงทะเบียนฝักบัวด้วยวิธีการมองเห็น วัสดุของเครื่องวัดความร้อนจะต้องมีคุณสมบัติเป็นประกาย ที่ เรืองแสงวาบโฟตอนของความยาวคลื่นหนึ่งถูกดูดซับอย่างมีประสิทธิภาพมาก นำไปสู่การกระตุ้นของโมเลกุลของสาร และการกระตุ้นนี้จะถูกลบออกโดยการปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่า สำหรับโฟตอนที่ปล่อยออกมา ตัวเรืองแสงวาบนั้นโปร่งใสอยู่แล้ว ดังนั้นจึงสามารถไปถึงขอบของเซลล์แคลอรี่ได้ เครื่องวัดปริมาณความร้อนใช้ตัวเรืองแสงวาบแบบมาตรฐานที่ได้รับการศึกษามายาวนาน ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าส่วนใดของพลังงานของอนุภาคเริ่มต้นถูกแปลงเป็นแฟลชออปติคัล

เพื่อให้ดูดซับฝักบัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องใช้สารที่มีความหนาแน่นมากที่สุด มีสองวิธีในการกระทบยอดข้อกำหนดนี้กับข้อกำหนดสำหรับเรืองแสงวาบ ขั้นแรก คุณสามารถเลือกซินทิลเลเตอร์ที่หนักมาก และเติมแคลอรีมิเตอร์ด้วย ประการที่สอง เป็นไปได้ที่จะทำ "พัฟ" ของแผ่นสลับของสารหนักและเรืองแสงวาบ นอกจากนี้ยังมีการออกแบบแคลอรีมิเตอร์รุ่นที่แปลกใหม่กว่า เช่น แคลอรีมิเตอร์ "สปาเก็ตตี้" ซึ่งเส้นใยควอทซ์บาง ๆ ฝังอยู่ในเมทริกซ์ของตัวดูดซับขนาดใหญ่ ฝักบัว ซึ่งพัฒนาไปตามแคลอรีมิเตอร์ดังกล่าว ทำให้เกิดแสงเชเรนคอฟในควอตซ์ ซึ่งส่งออกผ่านเส้นใยไปยังจุดสิ้นสุดของแคลอรีมิเตอร์

ความแม่นยำในการคืนพลังงานของอนุภาคในเครื่องวัดปริมาณความร้อนจะดีขึ้นเมื่อพลังงานเพิ่มขึ้น สำหรับอนุภาคที่มีพลังงานเท่ากับ GeV หลายร้อยตัว ข้อผิดพลาดจะอยู่ที่ประมาณหนึ่งเปอร์เซ็นต์สำหรับแคลอรีมิเตอร์แม่เหล็กไฟฟ้า และอีกสองสามเปอร์เซ็นต์สำหรับอนุภาคฮาดรอน

ห้องมูน

ลักษณะเฉพาะของมิวออนคือพวกมันสูญเสียพลังงานช้ามากเมื่อเคลื่อนที่ผ่านสสาร นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าในอีกด้านหนึ่งพวกมันหนักมากดังนั้นพวกมันจึงไม่สามารถถ่ายโอนพลังงานไปยังอิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพในการชนกันและประการที่สองพวกมันไม่ได้มีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรงดังนั้นจึงกระจัดกระจายไปตามนิวเคลียสเล็กน้อย ผลที่ได้คือ มิวออนสามารถบินสสารได้หลายเมตรก่อนที่จะหยุด และแทรกซึมเข้าไปในจุดที่อนุภาคอื่นไม่สามารถเข้าถึงได้

ในแง่หนึ่งทำให้ไม่สามารถวัดพลังงานของมิวออนโดยใช้แคลอรีมิเตอร์ได้ (เนื่องจากมิวออนไม่สามารถดูดซับได้อย่างสมบูรณ์) แต่ในทางกลับกัน มันทำให้สามารถแยกแยะมิวออนจากอนุภาคอื่นๆ ได้เป็นอย่างดี ในเครื่องตรวจจับที่ทันสมัย ห้องมูออนตั้งอยู่ในชั้นนอกสุดของเครื่องตรวจจับ ซึ่งมักจะอยู่นอกแอกโลหะขนาดใหญ่ที่สร้างสนามแม่เหล็กในเครื่องตรวจจับ หลอดดังกล่าวไม่ได้วัดพลังงาน แต่เป็นโมเมนตัมของมิวออน และในขณะเดียวกันก็สามารถสันนิษฐานได้อย่างแน่นอนว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นมิวออนอย่างแม่นยำ ไม่ใช่อย่างอื่น ห้องมิวออนมีหลายแบบที่ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน

การระบุอนุภาค

ประเด็นที่แยกต่างหากคือ การระบุอนุภาคนั่นคือการค้นหาว่าอนุภาคชนิดใดที่บินผ่านเครื่องตรวจจับ สิ่งนี้จะไม่ใช่เรื่องยากหากเรารู้มวลของอนุภาค แต่สิ่งนี้คือสิ่งที่เรามักไม่รู้อย่างแม่นยำ ในอีกด้านหนึ่ง สามารถคำนวณมวลโดยใช้สูตรของจลนศาสตร์เชิงสัมพัทธภาพ รู้พลังงานและโมเมนตัมของอนุภาค แต่น่าเสียดาย ข้อผิดพลาดในการวัดมักจะมีขนาดใหญ่จนไม่สามารถแยกแยะได้ เช่น , pi-meson จาก muon เนื่องจากอยู่ใกล้ wt

ในสถานการณ์นี้ มีสี่วิธีหลักในการระบุอนุภาค:

โดย การตอบสนองใน ประเภทต่างๆแคลอรีมิเตอร์และหลอดมิวออน
โดย ปล่อยพลังงานในเครื่องตรวจจับรอย อนุภาคเบ็ดเตล็ดผลิตไอออนไนซ์ในปริมาณที่แตกต่างกันต่อเซนติเมตรของเส้นทาง และสามารถวัดได้โดยความแรงของสัญญาณจากเครื่องตรวจจับราง
ทาง เคาน์เตอร์ Cherenkov. หากอนุภาคลอยผ่านวัสดุโปร่งใสที่มีดัชนีการหักเหของแสง นด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วแสงในวัตถุนั้น (กล่าวคือ มากกว่า ค/น) จากนั้นจะปล่อยรังสี Cherenkov ไปในทิศทางที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด หากเราใช้แอโรเจลเป็นสารตรวจจับ (ดัชนีการหักเหของแสงทั่วไป น= 1.03) จากนั้นรังสี Cherenkov จากอนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.99 คและ 0.995 คจะมีความแตกต่างกันอย่างมาก
ทาง กล้องบอกเวลาบิน. ในนั้นด้วยความช่วยเหลือของเครื่องตรวจจับที่มีความละเอียดชั่วคราวสูงมากเวลาของการบินของอนุภาคในบางส่วนของห้องจะถูกวัดและคำนวณความเร็วจากสิ่งนี้

แต่ละวิธีเหล่านี้มีปัญหาและข้อผิดพลาดของตัวเอง ดังนั้นการระบุอนุภาคจึงมักจะไม่รับประกันว่าจะถูกต้อง บางครั้งโปรแกรมสำหรับประมวลผลข้อมูล "ดิบ" จากเครื่องตรวจจับสามารถสรุปได้ว่า muon บินผ่านเครื่องตรวจจับแม้ว่าที่จริงแล้วมันเป็นไพโอเนียร์ก็ตาม เป็นไปไม่ได้ที่จะกำจัดข้อผิดพลาดดังกล่าวอย่างสมบูรณ์ เหลือเพียงการศึกษาเครื่องตรวจจับอย่างระมัดระวังก่อนดำเนินการ (เช่น ด้วยความช่วยเหลือของมิวออนจักรวาล) ค้นหาเปอร์เซ็นต์ของกรณีของการระบุอนุภาคที่ไม่ถูกต้อง และนำมาพิจารณาเสมอเมื่อประมวลผลข้อมูลจริง

ข้อกำหนดสำหรับเครื่องตรวจจับ

เครื่องตรวจจับอนุภาคสมัยใหม่บางครั้งเรียกว่า "พี่ใหญ่" ของกล้องดิจิตอล อย่างไรก็ตาม ควรจำไว้ว่าสภาพการทำงานของกล้องและตัวตรวจจับนั้นแตกต่างกันโดยพื้นฐาน

ประการแรก องค์ประกอบทั้งหมดของเครื่องตรวจจับต้องเป็น เร็วมากและประสานซึ่งกันและกันได้อย่างแม่นยำ ที่ Large Hadron Collider ที่ประสิทธิภาพสูงสุด กระจุกจะชนกัน 40 ล้านครั้งต่อวินาที ในการชนกันแต่ละครั้ง การเกิดอนุภาคจะเกิดขึ้น ซึ่งจะทิ้ง "ภาพ" ของพวกมันไว้ในเครื่องตรวจจับ และเครื่องตรวจจับจะต้องไม่ "สำลัก" ในสตรีมของ "ภาพ" นี้ เป็นผลให้ใน 25 นาโนวินาที มันจะต้องรวบรวมไอออไนซ์ทั้งหมดที่เหลือโดยอนุภาคที่บิน เปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้า และทำความสะอาดเครื่องตรวจจับ เตรียมสำหรับอนุภาคส่วนถัดไป ใน 25 นาโนวินาที อนุภาคจะบินได้เพียง 7.5 เมตร ซึ่งเทียบได้กับขนาดของเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่ ในขณะที่ไอออไนซ์จากอนุภาคที่ผ่านกำลังรวมตัวกันในชั้นนอกของเครื่องตรวจจับ อนุภาคจากการชนกันครั้งต่อไปก็บินผ่านชั้นในของมันไปแล้ว!

ข้อกำหนดหลักที่สองสำหรับเครื่องตรวจจับคือ ความต้านทานรังสี. อนุภาคมูลฐานที่บินออกจากจุดที่ชนกันเป็นรังสีจริงและแข็งมาก ตัวอย่างเช่น ปริมาณรังสีที่คาดว่าจะดูดกลืนของรังสีไอออไนซ์ที่เครื่องตรวจจับจุดยอดจะได้รับระหว่างการทำงานคือ 300 กิโลกรัมบวกกับฟลักซ์นิวตรอนรวม 5·10 14 นิวตรอนต่อเซนติเมตร 2 ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ตัวตรวจจับควรใช้งานได้นานหลายปีและยังคงสามารถใช้งานได้ สิ่งนี้ไม่เพียงใช้กับวัสดุของเครื่องตรวจจับเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่บรรจุด้วย ใช้เวลาหลายปีในการสร้างและทดสอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทนทานต่อข้อผิดพลาด ซึ่งจะทำงานในสภาวะการแผ่รังสีที่รุนแรงเช่นนี้

ข้อกำหนดอื่นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ - กำลังขับต่ำ. ภายในเครื่องตรวจจับหลายเมตรไม่มีพื้นที่ว่าง - ปริมาตรทุกลูกบาศก์เซนติเมตรจะเต็มไปด้วยอุปกรณ์ที่มีประโยชน์ ระบบทำความเย็นจะขจัดปริมาตรการทำงานของเครื่องตรวจจับอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เพราะหากอนุภาคลอยผ่านท่อทำความเย็นก็จะไม่ถูกลงทะเบียน ดังนั้นพลังงานที่ปล่อยออกมาจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (แผงและสายไฟแยกจากกันหลายแสนรายการซึ่งรับข้อมูลจากส่วนประกอบทั้งหมดของเครื่องตรวจจับ) ควรน้อยที่สุด

วรรณกรรมเพิ่มเติม:

ก. กรุ๊ปเพ็น. "เครื่องตรวจจับอนุภาคมูลฐาน" // Siberian Chronograph, Novosibirsk, 1999
เครื่องตรวจจับอนุภาค (PDF, 1.8 Mb)
เครื่องตรวจจับอนุภาค // บทจาก คู่มือการเรียน B. S. Ishkhanov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin “อนุภาคและนิวเคลียส การทดลอง". M.: สำนักพิมพ์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก, 2548
น.ม. นิธิศักดิ์. เครื่องตรวจจับไมโครเอเพ็กซ์ที่แม่นยำ (PDF, 2.9 Mb) // ECHAYA, vol. 28, no. 1, หน้า 191–242 (1997).

ในช. XXIII เราได้ทำความคุ้นเคยกับอุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจจับไมโครอนุภาค - ห้องเมฆ, ตัวนับที่เรืองแสงวาบ, ตัวนับการปล่อยก๊าซ แม้ว่าเครื่องตรวจจับเหล่านี้จะใช้ในการศึกษาอนุภาคเบื้องต้น แต่ก็ไม่สะดวกเสมอไป ความจริงก็คือกระบวนการปฏิสัมพันธ์ที่น่าสนใจที่สุดพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของอนุภาคมูลฐานเกิดขึ้นน้อยมาก อนุภาคต้องพบกับนิวคลีออนหรืออิเล็กตรอนจำนวนมากเพื่อให้เกิดการชนกันที่น่าสนใจ ในทางปฏิบัติ จะต้องผ่านเส้นทางที่วัดเป็นสิบเซนติเมตร - เมตรในสสารหนาแน่น (บนเส้นทางดังกล่าว อนุภาคที่มีประจุซึ่งมีพลังงานหลายพันล้านอิเล็กตรอนโวลต์สูญเสียพลังงานเพียงบางส่วนเนื่องจากการแตกตัวเป็นไอออน)

อย่างไรก็ตาม ในห้องเมฆหรือตัวนับการปล่อยก๊าซ ชั้นที่ละเอียดอ่อน (ในแง่ของสารที่มีความหนาแน่นสูง) จะบางมาก ด้วยเหตุนี้ จึงได้มีการนำวิธีการอื่นๆ ในการตรวจจับอนุภาคมาใช้

วิธีการถ่ายภาพพิสูจน์แล้วว่าได้ผลมาก ในอิมัลชันถ่ายภาพเม็ดละเอียดพิเศษ อนุภาคที่มีประจุแต่ละอนุภาคที่ผ่านอิมัลชันจะทิ้งร่องรอยไว้ ซึ่งหลังจากพัฒนาเพลตแล้ว จะถูกตรวจพบภายใต้กล้องจุลทรรศน์ในรูปแบบของห่วงโซ่ของเมล็ดพืชสีดำ โดยธรรมชาติของร่องรอยที่เหลืออยู่โดยอนุภาคในอิมัลชันการถ่ายภาพ เราสามารถกำหนดธรรมชาติของอนุภาคนี้ได้ ไม่ว่าจะเป็นประจุ มวล และพลังงาน วิธีการถ่ายภาพนั้นสะดวกไม่เพียงเพราะสามารถใช้วัสดุที่มีความหนาได้ แต่ยังเป็นเพราะในจานถ่ายภาพ ตรงกันข้ามกับห้องเมฆ ร่องรอยของอนุภาคที่มีประจุจะไม่หายไปในไม่ช้าหลังจากการผ่านของอนุภาค เมื่อศึกษาเหตุการณ์ที่หายาก บันทึกอาจถูกเปิดเผย เวลานาน; สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการศึกษารังสีคอสมิก ตัวอย่างของเหตุการณ์หายากที่บันทึกในอิมัลชันการถ่ายภาพแสดงไว้ด้านบนในรูปที่ 414, 415; มะเดื่อ น่าสนใจเป็นพิเศษ 418.

อีกวิธีหนึ่งที่โดดเด่นขึ้นอยู่กับการใช้คุณสมบัติของของเหลวที่มีความร้อนสูงเกินไป (ดู Volume I, § 299) เมื่อของเหลวบริสุทธิ์มากถูกทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าจุดเดือดเล็กน้อย ของเหลวจะไม่เดือด เนื่องจากแรงตึงผิวจะป้องกันไม่ให้เกิดฟองไอ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน โดนัลด์ เกลเซอร์ (เกิด พ.ศ. 2469) ตั้งข้อสังเกตในปี พ.ศ. 2495 ว่าของเหลวที่ร้อนจัดจะเดือดทันทีเมื่อฉายรังสีอย่างเข้มข้นเพียงพอ พลังงานเพิ่มเติมที่ปล่อยออกมาในร่องรอยของอิเล็กตรอนเร็วที่สร้างขึ้นในของเหลวโดยการแผ่รังสีทำให้เกิดเงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของฟองอากาศ

จากปรากฏการณ์นี้ Glaeser ได้พัฒนาห้องฟองสบู่ที่เรียกว่า ของเหลวที่ ความดันโลหิตสูงให้ความร้อนที่อุณหภูมิใกล้เคียง แต่น้อยกว่าจุดเดือด จากนั้นความดันและจุดเดือดจะลดลงและของเหลวก็ร้อนจัด ขณะนี้มีร่องรอยของฟองอากาศไอเกิดขึ้นตามวิถีของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่ข้ามของเหลว ด้วยแสงที่เหมาะสม กล้องก็สามารถจับภาพได้ ตามกฎแล้ว ห้องฟองจะตั้งอยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูง สนามแม่เหล็กจะโค้งงอวิถีของอนุภาค ด้วยการวัดความยาวของรางอนุภาค รัศมีความโค้ง และความหนาแน่นของฟองอากาศ จึงสามารถกำหนดลักษณะของอนุภาคได้ ตอนนี้ห้องฟองได้มาถึงความสมบูรณ์แบบในระดับสูงแล้ว ตัวอย่างเช่น งานในห้องที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจนเหลว โดยมีปริมาตรที่อ่อนไหวหลายลูกบาศก์เมตร ตัวอย่างภาพถ่ายอนุภาคในห้องฟองแสดงในรูปที่ 416, 417, 419, 420.

ข้าว. 418. การเปลี่ยนแปลงของอนุภาคที่บันทึกไว้ในกองอิมัลชันภาพถ่ายที่ฉายรังสีคอสมิก เมื่อถึงจุดหนึ่ง อนุภาคที่เป็นกลางเร็วที่มองไม่เห็นทำให้เกิดการแยกตัวของนิวเคลียสอิมัลชันหนึ่งตัวและก่อตัวเป็นเมซอน ( "ดาว" จาก 21 แทร็ก) หนึ่งใน meson คือ -meson ได้เดินทางไปตามเส้นทาง (แสดงเฉพาะจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของร่องรอยในภาพถ่าย ด้วยการขยายที่ใช้ในภาพถ่าย ความยาวของร่องรอยทั้งหมดจะเป็น ) หยุดที่ จุดและผุตามแบบแผน . -meson ซึ่งตามรอยซึ่งมุ่งลงด้านล่าง ถูกจับโดยนิวเคลียส ณ จุดนั้น ทำให้เกิดการแยกตัวออก หนึ่งในชิ้นส่วนของการแยกตัวคือนิวเคลียสซึ่งโดยการสลายตัวกลายเป็นนิวเคลียสและสลายตัวเป็นสองอนุภาคในทันทีที่บินไปในทิศทางตรงกันข้าม - ในภาพพวกมันก่อตัวเป็น "ค้อน" -meson เมื่อหยุดแล้วเปลี่ยนเป็น -muon (และ neutrino) (จุด) จุดสิ้นสุดของการติดตาม -muon ระบุไว้ทางด้านขวา มุมบนการวาดภาพ; จะมองเห็นร่องรอยของโพซิตรอนที่เกิดขึ้นในระหว่างการสลายตัวได้

ข้าว. 419. การก่อตัวและการสลายตัวของ -ไฮเปอร์รอน ในห้องฟองไฮโดรเจนในสนามแม่เหล็กและฉายรังสีด้วยแอนติโปรตอน ปฏิกิริยา . เกิดขึ้นที่จุดสิ้นสุดของเส้นทาง (ดูแผนภาพด้านบนภาพ) แลมบ์ดาเป็นกลางและไฮเปอร์รอนต้านแลมบ์ดาซึ่งบินเป็นระยะทางสั้น ๆ โดยไม่มีการก่อตัวของร่องรอยสลายตัวตามแบบแผน แอนติโปรตอนทำลายล้างด้วยโปรตอน ก่อตัวเป็นเมซอน-ควอนตัมสองและสองบนโปรตอน โปรตอนไม่ได้ ร่องรอยที่มองเห็นได้เนื่องจากเนื่องจากมีมวลมากจึงไม่ได้รับพลังงานเพียงพอเมื่อทำปฏิกิริยากับ -quantum