Zarrachalar detektorlari. Elementar zarrachalarni aniqlashning fizik tamoyillari

Katta adron kollayderidagi kabi "haqiqiy" zarrachalar detektorlari millionlab dollarga tushadi va og'irligi yuzlab tonnani tashkil qiladi, ammo biz ancha kamtarona byudjet bilan ishlashga harakat qilamiz.

Bizga kerak bo'ladi:

quruq muz (kilogramm uchun taxminan 80 rubl, yana 300 rubl uchun ko'pikli plastmassa termal idishni sotib olish tavsiya etiladi - aks holda siz sotib olgan hamma narsa juda tez bug'lanadi). Ko'p quruq muz kerak emas, bir kilogramm etarli;
izopropil spirti (0,5 litr uchun 370 rubl turadi, radio uskunalari do'konlarida sotiladi);
bir parcha namat (tikuv sexi, taxminan 150 rubl);
namatni idishning pastki qismiga yopishtirish uchun elim ("Moment", 150 rubl);
shaffof idish, masalan, qopqoqli plastik akvarium (biz 1,5 ming rubl uchun qattiq plastik oziq-ovqat idishini sotib oldik);
quruq muz uchun stend, bu fotografik kyuvet bo'lishi mumkin (tahririyat oshxonasida topilgan);
Chiroq.

Shunday qilib, keling, boshlaylik. Avval siz idishning pastki qismiga namatning bir qismini yopishtirishingiz kerak va elim quriguncha bir necha soat kutishingiz kerak. Shundan so'ng, namat izopropil spirtiga namlangan bo'lishi kerak (spirtli ichimliklar ko'zingizga tushmasligiga ishonch hosil qiling!). Kigiz butunlay alkogol bilan to'yingan bo'lishi ma'qul, qolgan qismi keyin drenajlanishi kerak. Keyin kyuvetaning pastki qismiga quruq muzni quying, idishni qopqoq bilan yoping va qopqog'ini pastga tushirgan holda quruq muzga qo'ying. Endi siz kamera ichidagi havo spirtli bug' bilan to'yingan bo'lishini kutishingiz kerak.

Bulutli kameraning (aka "tuman kamerasi") ishlash printsipi shundaki, hatto juda zaif ta'sir ham spirtning to'yingan bug'ining kondensatsiyasiga olib keladi. Natijada, hatto kosmik zarralarning zarbasi bug'ning kondensatsiyasiga olib keladi va kamerada mikroskopik tomchilar zanjirlari - izlar hosil bo'ladi.

Tajribani videomizda ko'rishingiz mumkin:

Tajribadan bir nechta eslatma: siz juda ko'p quruq muz xarid qilmasligingiz kerak - u hatto termal idishida ham bir kundan kamroq vaqt ichida butunlay bug'lanadi va siz sanoat muzlatgichini topishingiz dargumon. Shaffof idishning qopqog'i qora bo'lishi kerak, masalan, uni pastdan qora shisha bilan yopishingiz mumkin. Treklar qora fonda yaxshiroq ko'rinadi. Idishning pastki qismiga aniq qarash kerak, u erda yomg'ir yog'ishiga o'xshash xarakterli tuman hosil bo'ladi. Aynan shu tumanda zarracha izlari paydo bo'ladi.

Qanday treklarni ko'rish mumkin:

Bular kosmik zarralar emas. Qisqa va qalin izlar - bu radioaktiv gazning radon atomlari tomonidan chiqariladigan alfa zarralari izlari bo'lib, ular Yerning ichaklaridan doimiy ravishda chiqib ketadi (va ventilyatsiya qilinmagan xonalarda to'planadi).

Uzoq tor izlar elektronlarning og'ir (va qisqa muddatli) qarindoshlari bo'lgan muonlar tomonidan qoldiriladi. Ular ko'pchilikda tug'iladi yuqori qatlamlar atmosfera, yuqori energiyali zarralar atomlar bilan to'qnashganda va asosan muonlardan iborat bo'lgan zarrachalarning butun yomg'irini keltirib chiqaradi.

Egri traektoriyalar elektronlar yoki ularning antizarralari, pozitronlarining belgisidir. Ular kosmik nurlar tomonidan ham hosil bo'ladi, havo molekulalari bilan to'qnashadi va zigzaglarda harakatlanishi mumkin.

Agar siz ikkiga aylangan izlarni ko'rsangiz, unda siz omadlisiz: bir zarraning ikkiga bo'linishiga guvoh bo'ldingiz.

Yoqdimi? N+1 ga obuna bo'ling

29 aprel kuni kechki payt (hozircha rejalashtirilgan) NASA Cern detektorini orbitaga chiqaradi elementar zarralar AMS-02. Ushbu detektor 10 yil davomida yaratilgan, uning katta "akalari" allaqachon Katta adron kollayderida, ya'ni er ostida kuchli va asosiy bilan ishlaydi va bu kosmosga uchadi! :)

Mana cern press-relizi, bu yerda CET 21:30 da boshlanadigan ishga tushirishning jonli efiri. Cern twitter hisobotlarni ham yuboradi. Ishga tushirish va undan keyingi barcha ishlarni tajriba veb-saytida kuzatish mumkin. Ayni paytda men qurilma haqida qisqacha gaplashaman va ilmiy vazifalar.

AMS-02 - bu (deyarli) barcha atributlariga ega haqiqiy elementar zarrachalar detektori. Uning o'lchami 4 metr, og'irligi 8,5 tonna. Albatta, uni ATLAS kabi ulkan bilan taqqoslab bo'lmaydi, lekin kosmosga uchish (va ISSga o'rnatish) uchun bu etarli emas.

Agar er osti detektorlari protonlar va boshqa zarralarning sun'iy to'qnashuvi paytida tug'ilgan zarralarni qayd etsa, u holda AMS-02 kosmik nurlarni - bizga chuqur kosmosdan keladigan, "tabiiy tezlatgichlar" bo'ylab tarqalgan juda yuqori energiyali zarralarni qayd qiladi. Kosmik nurlar, albatta, uzoq vaqt davomida, deyarli bir asr davomida o'rganilgan, ammo ko'plab sirlar hali ham ular bilan bog'liq.

Yangi detektorning eng muhim vazifasi - kosmik nurlar tarkibini o'ta yuqori aniqlik bilan o'lchashdir. Kosmik nurlarda antimateriyaning nisbati qanday? U energiya bilan qanday o'zgaradi? Kollayderlarda tug'ilmaydigan oz miqdorda yangi og'ir barqaror zarralar (qorong'u materiya zarralari) bormi, lekin koinot ularni keltirib chiqara oldimi? Yoki oddiy zarrachalarning energiya spektridagi ba'zi nozik xususiyatlar ularning shu paytgacha noma'lum bo'lgan o'ta og'ir zarralarning parchalanishi natijasida hosil bo'lganligini ko'rsatishi mumkinmi?

AMS-02 kosmik nur zarralarining detektor materiali orqali o'tishini qayd etish va ularning impuls, tezlik, energiya chiqishi va zaryadini o'lchash orqali ushbu muammolarni o'rganadi. Detektorning zarrachalar energiyasi bo'yicha optimal sezgirligining "oynasi" taxminan 1 GeV dan bir necha TeV gacha. Ushbu oyna ko'plab modellarning bashoratlarini qamrab oladi va LHC detektorlarining sezgirlik oynalari bilan mos keladi. Ammo Katta adron kollayderidan farqli o'laroq, bu erda koinotning o'zi tezlatuvchi rolini o'ynaydi va bu juda katta oqibatlarga olib kelishi mumkin.

Subdetektorlar va quyi tizimlar AMS-02 ().

Klassik yer (aniqrog'i, er osti) detektorlari singari, u bir vaqtning o'zida bir nechta alohida aniqlash tizimlarini o'z ichiga oladi, o'lchash turli xil xususiyatlar zarralar. Faqat ulardan farqli o'laroq, AMS-02 "ichiga" qaramaydi, balki "tashqariga qaraydi"; Bu ilg'or zamonaviy detektorning bir segmentiga o'xshaydi.

Qurilma eksperiment o'tkaziladigan joyda qisqacha tasvirlangan. Shuningdek, traektoriyani tiklaydigan trek detektorlari, zarrachalar tezligini o'lchaydigan Cherenkov detektorlari, zarrachalar energiyasini o'lchaydigan elektromagnit kalorimetrlar va boshqa tizimlar mavjud. Ikki xil magnit bir vaqtning o'zida turli zaryadlarni ajratib turadi (men yolg'on gapirdim). To'lovlarni ajratadi doimiy magnit 0,125 Tesla neodimiy qotishmasi. Bundan tashqari, AMS-02 da er osti detektorlari mavjud bo'lmagan narsa bor - GPS sensorlari va yulduzlarni kuzatish tizimi :)

Bularning barchasi 10 yil davomida qurilgan, narxi taxminan 1,5 gigadollar. AMS hamkorligi 16 mamlakatdan 56 ta muassasani o'z ichiga oladi.

Asosiysi, endi bu narsa muvaffaqiyatli uchib ketdi. Ertaga kechqurun biz taqdimotni kuzatib boramiz!

Kosmosdan o'n minglab elementar zarralar tanamiz orqali har soniyada uchib o'tadi - muonlar, elektronlar, neytrinolar va boshqalar. Biz ularni his qilmaymiz va ko'rmaymiz, lekin bu ularning mavjud emasligini anglatmaydi. Bu ularni tuzatib bo'lmaydi degani emas. Biz o'quvchilarga taklif qilamiz N+1 o'z qo'llaringiz bilan ushbu doimiy kosmik yomg'irni "ko'rish" imkonini beradigan qurilmani yig'ing.

Bizga kerak bo'ladi:

quruq muz (kilogramm uchun taxminan 80 rubl, yana 300 rubl uchun ko'pikli plastmassa termal idishni sotib olish tavsiya etiladi - aks holda siz sotib olgan hamma narsa juda tez bug'lanadi). Ko'p quruq muz kerak emas, bir kilogramm etarli;
izopropil spirti (0,5 litr uchun 370 rubl turadi, radio uskunalari do'konlarida sotiladi);
bir parcha namat (tikuv sexi, taxminan 150 rubl);
namatni idishning pastki qismiga yopishtirish uchun elim ("Moment", 150 rubl);
shaffof idish, masalan, qopqoqli plastik akvarium (biz 1,5 ming rubl uchun qattiq plastik oziq-ovqat idishini sotib oldik);
quruq muz uchun stend, bu fotografik kyuvet bo'lishi mumkin (tahririyat oshxonasida topilgan);
Chiroq.

Tajribani videomizda ko'rishingiz mumkin:

Qanday treklarni ko'rish mumkin:

Simmetriya jurnali

Uzoq tor izlar elektronlarning og'ir (va qisqa muddatli) qarindoshlari bo'lgan muonlar tomonidan qoldiriladi. Ular yuqori energiyali zarralar atomlar bilan to'qnashganda va zarrachalarning butun yomg'irini, asosan, muonlarni hosil qilganda atmosferaning yuqori qismida ko'p miqdorda hosil bo'ladi.

Har qanday holatda bo'lgani kabi jismoniy tajriba, elementar zarralarni o'rganishda birinchi navbatda talab qilinadi qo'yish tajriba va keyin ro'yxatdan o'tish uning natijalari. Tezlatgich eksperimentni (zarrachalarning to'qnashuvi) o'rnatish bilan shug'ullanadi va to'qnashuvlar natijalari yordamida o'rganiladi. elementar zarrachalar detektorlari.

To'qnashuvning rasmini qayta tiklash uchun nafaqat qaysi zarralar tug'ilganligini aniqlash, balki ularning xususiyatlarini, birinchi navbatda, traektoriya, impuls va energiyani katta aniqlik bilan o'lchash kerak. Bularning barchasi konsentrik qatlamlarda zarrachalar to'qnashuv joyini o'rab turgan har xil turdagi detektorlar yordamida o'lchanadi.

Elementar zarracha detektorlarini ikki guruhga bo'lish mumkin: trek detektorlari, zarrachalar traektoriyasini o'lchaydigan va kalorimetrlar bu ularning energiyalarini o'lchaydi. Trek detektorlari zarrachalar harakatini hech qanday buzilishlarsiz kuzatishga harakat qiladi. Kalorimetrlar esa zarrachaning energiyasini o'lchash uchun uni to'liq o'zlashtirishi kerak. Natijada, zamonaviy detektorning standart sxemasi paydo bo'ladi: ichkarida trek detektorlarining bir nechta qatlamlari va tashqarisida - bir necha qatlamli kalorimetrlar, shuningdek, maxsus muon detektorlari. Umumiy shakl odatiy zamonaviy detektor shaklda ko'rsatilgan. bitta.

Zamonaviy detektorlarning asosiy tarkibiy qismlarining tuzilishi va ishlash printsipi quyida qisqacha tavsiflanadi. Asosiy e'tibor ba'zilariga qaratilgan umumiy tamoyillar aniqlash. Katta adron kollayderida ishlaydigan maxsus detektorlar uchun LHCdagi detektorlarga qarang.

Track detektorlari

Track detektorlari zarrachaning traektoriyasini qayta tiklaydi. Ular odatda magnit maydon hududida joylashgan bo'lib, keyin zarrachaning harakat tezligini zarracha traektoriyasining egriligidan aniqlash mumkin.

Trek detektorlarining ishi o'tayotgan zaryadlangan zarrachaning ionlanish izini yaratishiga asoslanadi - ya'ni u o'z yo'lidagi atomlardan elektronlarni urib yuboradi. Bunday holda, ionlanish intensivligi zarracha turiga ham, detektor materialiga ham bog'liq. Erkin elektronlar elektronika tomonidan to'planadi, signal zarrachalarning koordinatalarini bildiradi.

Verteks detektori

sammit(mikrovertex, piksel) detektor- Bu ko'p qatlamli yarimo'tkazgichli detektor bo'lib, ular to'g'ridan-to'g'ri yotqizilgan elektronika bilan alohida yupqa plitalardan iborat. Bu detektorlarning eng ichki qatlami: odatda vakuum trubkasi tashqarisida darhol boshlanadi (ba'zan birinchi qatlam to'g'ridan-to'g'ri vakuum trubasining tashqi devoriga o'rnatiladi) va radial yo'nalishda dastlabki bir necha santimetrni egallaydi. Yarim o'tkazgich sifatida kremniy odatda yuqori nurlanishga chidamliligi tufayli tanlanadi (detektorning ichki qatlamlari qattiq nurlanishning katta dozalariga ta'sir qiladi).

Aslida, vertex detektori raqamli kamera sensori bilan bir xil ishlaydi. Zaryadlangan zarracha bu plastinka orqali uchib o'tganda, unda iz qoldiradi - o'lchami bir necha o'n mikron bo'lgan ionlanish buluti. Ushbu ionlanish elektron element tomonidan to'g'ridan-to'g'ri piksel ostida o'qiladi. Bir necha ketma-ket piksel detektor plitalari bilan zarrachaning kesishish nuqtalarining koordinatalarini bilish orqali zarrachalarning uch o'lchovli traektoriyalarini qayta qurish va ularni quvur ichida kuzatish mumkin. Kosmosning biron bir nuqtasida bunday qayta tiklangan traektoriyalarning kesishishi orqali, cho'qqi- bu zarralar tug'ilgan nuqta.

Ba'zan bir nechta shunday cho'qqilar borligi ma'lum bo'ladi va ulardan biri odatda to'g'ridan-to'g'ri to'qnashuvchi nurlarning to'qnashuv o'qida (birlamchi cho'qqi) yotadi, ikkinchisi esa uzoqda. Bu, odatda, protonlar birlamchi cho'qqida to'qnashib, darhol bir nechta zarrachalarni keltirib chiqarganligini anglatadi, ammo ularning ba'zilari bola zarrachalariga chirishdan oldin biroz masofaga uchib ketishga muvaffaq bo'lishdi.

Zamonaviy detektorlarda vertexni qayta qurish aniqligi 10 mikronga etadi. Bu ikkilamchi cho'qqilar to'qnashuv o'qidan 100 mikron uzoqlikda bo'lgan holatlarni ishonchli tarzda qayd etish imkonini beradi. Aynan shunday masofalarda turli xil metastabil adronlar uchib ketadi, ularning tarkibida c- yoki b-kvark ("sehrlangan" va "maftunkor" adronlar deb ataladi) mavjud. Shuning uchun, vertex detektori muhim vosita LHCb detektori, uning asosiy vazifasi bu hadronlarni o'rganish bo'ladi.

Yarimo'tkazgichlar xuddi shunday printsip asosida ishlaydi. mikrostripli detektorlar, unda kichik piksellar o'rniga sezgir materialning eng nozik, lekin juda uzun chiziqlari ishlatiladi. Ularda ionlanish darhol joylashmaydi, lekin chiziq bo'ylab siljiydi va uning oxirida o'qiladi. Chiziqlar shunday tuzilganki, zaryad bulutining u bo'ylab siljish tezligi doimiy bo'ladi va u xira bo'lmaydi. Shuning uchun, zaryad o'qish elementiga kelgan momentni bilib, zaryadlangan zarracha chiziqni teshib o'tgan nuqtaning koordinatalarini hisoblash mumkin. Mikrotasma detektorlarining fazoviy o'lchamlari piksel detektorlariga qaraganda yomonroq, ammo ular ko'proq narsani qamrab oladi. haqida katta maydon, chunki ular buni talab qilmaydi katta raqam o'qish elementlari.

Drift kameralari

Drift kameralari- Bu gaz bilan to'ldirilgan kameralar bo'lib, ular yarimo'tkazgichli detektorlardan tashqarida joylashgan bo'lib, bu erda radiatsiya darajasi nisbatan past bo'ladi va yarimo'tkazgichli detektorlarda bo'lgani kabi pozitsiyani aniqlashning bunday yuqori aniqligi talab qilinmaydi.

Klassik drift kamerasi gaz bilan to'ldirilgan quvur bo'lib, uning ichida juda ko'p nozik simlar cho'zilgan. U vertex detektori kabi ishlaydi, lekin tekis plastinkada emas, balki hajmda. Barcha simlar kuchlanish ostida va ularning joylashuvi bir xil bo'ladigan tarzda tanlanadi elektr maydoni. Zaryadlangan zarracha gaz kamerasidan uchib o'tganda u fazoviy ionlanish izini qoldiradi. Ta'sir ostida elektr maydoni ionlanish (birinchi navbatda, elektronlar) anod simlari tomon maydon chiziqlari bo'ylab doimiy tezlikda (fiziklar "drifts" deyishadi) harakat qiladi. Kameraning chetiga etib borgandan so'ng, ionlanish darhol elektronika tomonidan so'riladi, bu signal pulsini chiqishga uzatadi. O'qish elementlari juda ko'p bo'lganligi sababli, ulardan signallar o'tayotgan zarrachaning koordinatalarini va shuning uchun traektoriyani yaxshi aniqlik bilan tiklash uchun ishlatilishi mumkin.

Odatda hosil bo'ladigan ionlanish miqdori gaz kamerasi o'tadigan zarracha kichikdir. Zaryadni yig'ish va ro'yxatdan o'tkazish ishonchliligini oshirish va uni o'lchashdagi xatolikni kamaytirish uchun signalni elektronika tomonidan ro'yxatga olinmasidan oldin ham kuchaytirish kerak. Bu o'qish uskunasi yaqinida cho'zilgan anod va katod simlarining maxsus tarmog'i yordamida amalga oshiriladi. Anod simining yonidan o'tib, elektron bulut uning ustida ko'chki hosil qiladi, buning natijasida elektron signal ko'payadi.

Magnit maydon qanchalik kuchli bo'lsa va detektorning o'lchamlari qanchalik katta bo'lsa, zarrachalarning traektoriyasi to'g'ri chiziqdan shunchalik kuchliroq og'adi, ya'ni uning egrilik radiusini qanchalik ishonchli o'lchash va undan zarracha impulsini qayta tiklash mumkin bo'ladi. Shuning uchun, juda yuqori energiyali, yuzlab GeV va TeV zarralari bilan reaktsiyalarni o'rganish uchun kattaroq detektorlarni qurish va ulardan foydalanish maqsadga muvofiqdir. magnit maydonlar kuchliroq. Sof muhandislik sabablarga ko'ra, odatda, ushbu qiymatlardan faqat bittasini boshqasi hisobiga oshirish mumkin. LHC-dagi ikkita eng katta detektor - ATLAS va CMS - bu qiymatlarning qaysi biri optimallashtirilganligi bilan farq qiladi. ATLAS detektorida kattaroq o'lchamlar, lekin kichikroq maydon, CMS detektori esa kuchliroq maydonga ega, lekin umuman olganda u yanada ixchamroq.

Vaqt proyeksiyalovchi kamera

Drift kamerasining maxsus turi bu deb ataladi vaqtni proyeksiyalovchi kamera(VPK). Aslida, VPK bitta katta, bir necha metr o'lchamli, silindrsimon drift xujayrasi. Uning butun hajmida silindrning o'qi bo'ylab bir xil elektr maydoni hosil bo'ladi. Ushbu kamera orqali uchib o'tayotganda zarrachalar tark etadigan butun aylanma ionlanish izi o'zining fazoviy shaklini saqlab, silindrning uchlarigacha bir xilda siljiydi. Traektoriyalar, go'yo kameraning uchlariga "proyeksiyalangan" bo'lib, u erda o'qish elementlarining katta to'plami zaryadning kelishini qayd etadi. Radial va burchak koordinatalari datchik raqami bilan, silindr o'qi bo'ylab koordinata esa signal kelishi vaqti bilan belgilanadi. Buning yordamida zarralar harakatining uch o'lchovli rasmini tiklash mumkin.

LHCda o'tkazilayotgan tajribalar orasida ALICE detektori vaqtni proyeksiyalovchi kameradan foydalanadi.

Roman Pots detektorlari

To'g'ridan-to'g'ri ishlaydigan yarimo'tkazgichli piksel detektorlarining maxsus turi mavjud vakuum trubkasi ichida, nurga yaqin joyda. Ular birinchi marta 1970-yillarda Rimdan kelgan tadqiqot guruhi tomonidan taklif qilingan va shu vaqtdan beri ma'lum bo'lgan Rim qozonlari("Rim qozonlari").

Roman Pots detektorlari to'qnashuv paytida juda kichik burchaklar bilan og'ishgan zarralarni aniqlash uchun mo'ljallangan. Vakuum trubkasi tashqarisida joylashgan an'anaviy detektorlar bu erda yaroqsiz, chunki juda kichik burchak ostida chiqarilgan zarracha vakuum trubkasi ichida ko'p kilometrlarga uchib, asosiy nur bilan birga burilib, qochib qutula olmaydi. Bunday zarralarni ro'yxatga olish uchun nur o'qi bo'ylab vakuum trubkasi ichiga kichik detektorlarni joylashtirish kerak, lekin nurning o'ziga tegmasdan.

Buning uchun tezlashtiruvchi halqaning ma'lum bir qismida, odatda to'qnashuv nurlarining to'qnashuv nuqtasidan yuzlab metr masofada, ko'ndalang "yenglari" bo'lgan vakuum trubkasining maxsus qismi kiritiladi. Kichkina, bir necha santimetr o'lchamdagi piksel detektorlari mobil platformalarda ularga joylashtirilgan. Nur faqat AOK qilinganida, u hali ham beqaror va katta ko‘ndalang tebranishlar. Bu vaqtda detektorlar to'g'ridan-to'g'ri to'g'ridan-to'g'ri zarbadan shikastlanmaslik uchun yenglar ichiga yashiringan. Nur barqarorlashgandan so'ng, platformalar qo'llaridan tashqariga siljiydi va Rim Pots detektorlarining sezgir matritsalarini nurga yaqin joyda, 1-2 millimetr masofada harakatga keltiradi. Keyingi tezlatkich siklining oxirida, eski nurni tashlab, yangisini in'ektsiya qilishdan oldin, detektorlar yana qo'llariga tortiladi va keyingi ish seansini kutadi.

Roman kostryulkalarida ishlatiladigan piksel detektorlari an'anaviy vertex detektorlaridan farq qiladi, chunki ular gofret yuzasining sezgir elementlar egallagan qismini maksimal darajada oshiradi. Xususan, nurga eng yaqin bo'lgan plastinkaning chetida deyarli sezgir bo'lmagan "o'lik" zona yo'q ( "chekkasiz"- texnologiya).

Katta adron kollayderidagi eksperimentlardan biri TOTEM ushbu detektorlarning bir nechtasidan foydalanadi. Shu kabi yana bir qancha loyihalar ishlab chiqilmoqda. LHCb tajribasining vertex detektori ham ushbu texnologiyaning ba'zi elementlarini o'z ichiga oladi.

Ushbu detektorlar haqida ko'proq CERN Courier maqolasida LHC uchun Roman kostryulkalar yoki TOTEM tajribasining texnik hujjatlarida o'qishingiz mumkin.

Kalorimetrlar

Kalorimetrlar elementar zarrachalarning energiyasini o'lchaydi. Buning uchun zarrachalar yo'liga qo'ying qalin qatlam zich modda (odatda og'ir metall - qo'rg'oshin, temir, guruch). Undagi zarracha elektronlar yoki atom yadrolari bilan to'qnashadi va natijada ikkilamchi zarrachalar oqimi hosil bo'ladi - dush. Dastlabki zarrachaning energiyasi barcha dush zarralari orasida taqsimlanadi, shuning uchun bu dushdagi har bir alohida zarrachaning energiyasi kichik bo'ladi. Natijada, dush moddaning qalinligida tiqilib qoladi, uning zarralari so'riladi va yo'q qilinadi va energiyaning ba'zi, juda aniq, yorug'lik shaklida chiqariladi. Bu yorug'lik chaqnashi kalorimetrning uchlarida fotoko'paytirgichlar tomonidan to'planadi va uni elektr impulsiga aylantiradi. Bundan tashqari, dush energiyasini sezgir plitalar bilan ionizatsiyani yig'ish orqali o'lchash mumkin.

Moddadan o'tuvchi elektronlar va fotonlar asosan ular bilan to'qnashadi elektron qobiqlar atomlar va elektromagnit dush hosil qiladi - ko'p sonli elektronlar, pozitronlar va fotonlar oqimi. Bunday yomg'irlar sayoz chuqurlikda tez rivojlanadi va odatda bir necha o'n santimetr qalinlikdagi materiya qatlamiga so'riladi. Yuqori energiyali adronlar (protonlar, neytronlar, pi-mezonlar va K-mezonlar) asosan yadrolar bilan toʻqnashuv natijasida energiyani yoʻqotadi. Bunday holda, elektromagnitga qaraganda materiyaning qalinligiga chuqurroq kirib boradigan adronli dush hosil bo'ladi va bundan tashqari u kengroqdir. Shuning uchun hadronik dushni juda yuqori energiyali zarrachadan to'liq o'zlashtirish uchun bir yoki ikki metr materiya kerak bo'ladi.

Elektromagnit va hadronli dushlarning xarakteristikalari o'rtasidagi farq zamonaviy detektorlarda maksimal darajada qo'llaniladi. Kalorimetrlar ko'pincha ikki qavatli tayyorlanadi: ichkarida joylashgan elektromagnit kalorimetrlar, unda asosan elektromagnit dushlar so'riladi va tashqarida - adron kalorimetrlari, ularga faqat adron yomg'irlari "etib boradi". Shunday qilib, kalorimetrlar nafaqat energiyani o'lchaydi, balki "energiya turini" ham aniqlaydi - bu elektromagnit yoki hadronik kelib chiqishi. uchun bu juda muhim to'g'ri tushunish proton to'qnashuvi detektorining markazida sodir bo'ldi.

Optik vositalar yordamida dushni ro'yxatdan o'tkazish uchun kalorimetrning materiali sintillash xususiyatiga ega bo'lishi kerak. IN sintilator bir to'lqin uzunligidagi fotonlar juda samarali so'riladi, bu moddaning molekulalarini qo'zg'atishga olib keladi va bu qo'zg'alish past energiyali fotonlarni chiqarish orqali chiqariladi. Chiqarilgan fotonlar uchun sintilator allaqachon shaffofdir va shuning uchun ular kalorimetrik hujayraning chetiga etib borishi mumkin. Kalorimetrlar standart, uzoq vaqt o'rganilgan sintillyatorlardan foydalanadi, ular uchun boshlang'ich zarracha energiyasining qaysi qismi optik chaqnashga aylantirilishi yaxshi ma'lum.

Dushlarni samarali qabul qilish uchun iloji boricha zich moddadan foydalanish kerak. Ushbu talabni sintillyatorlarga qo'yiladigan talablar bilan moslashtirishning ikki yo'li mavjud. Birinchidan, juda og'ir sintillyatorlarni tanlash va ular bilan kalorimetrni to'ldirish mumkin. Ikkinchidan, og'ir moddaning o'zgaruvchan plitalari va engil sintilatordan "puf" qilish mumkin. Kalorimetr dizaynining yanada ekzotik versiyalari ham mavjud, masalan, "spagetti" kalorimetrlari, ularda ko'plab yupqa kvarts tolalari massiv yutuvchi matritsaga kiritilgan.Bunday kalorimetr bo'ylab rivojlanayotgan dush kvartsda Cherenkov nurini hosil qiladi. tolalar orqali kalorimetrning oxirigacha chiqariladi.

Kalorimetrdagi zarrachaning energiyasini tiklashning aniqligi energiya ortishi bilan yaxshilanadi. Energiyalari yuzlab GeV bo'lgan zarralar uchun xatolik elektromagnit kalorimetrlar uchun taxminan foizni, adroniklar uchun esa bir necha foizni tashkil qiladi.

Muon xonalari

Myuonlarning xarakterli xususiyati shundaki, ular materiya bo'ylab harakatlanayotganda energiyani juda sekin yo'qotadilar. Buning sababi, bir tomondan, ular juda og'ir, shuning uchun ular to'qnashuvda energiyani elektronlarga samarali o'tkaza olmaydilar, ikkinchidan, ular kuchli o'zaro ta'sirda qatnashmaydilar, shuning uchun ular yadrolar tomonidan zaif tarqaladi. Natijada, myuonlar to'xtamasdan oldin ko'p metrli materiya bo'ylab uchib, boshqa zarrachalar yetib bora olmaydigan joyga kirib borishi mumkin.

Bu, bir tomondan, myuon energiyasini kaloriyametrlar yordamida o'lchashni imkonsiz qiladi (oxir-oqibat, muonni to'liq so'rib bo'lmaydi), ikkinchi tomondan, bu muonlarni boshqa zarrachalardan yaxshi ajratish imkonini beradi. Zamonaviy detektorlarda muon xonalari detektorning eng tashqi qatlamlarida, ko'pincha detektorda magnit maydon hosil qiluvchi massiv metall bo'yinturuqdan tashqarida joylashgan. Bunday naychalar energiyani emas, balki muonlarning momentumini o'lchaydi va shu bilan birga, bu zarralar boshqa hech narsa emas, balki aniq muonlar ekanligiga ishonch bilan taxmin qilish mumkin. Turli maqsadlarda ishlatiladigan muon kameralarining bir nechta navlari mavjud.

Zarrachalarni aniqlash

Alohida masala zarrachalarni aniqlash, ya'ni detektor orqali qanday zarracha uchganligini aniqlash. Agar biz zarrachaning massasini bilsak, bu qiyin bo'lmas edi, lekin biz odatda buni bilmaymiz. Bir tomondan, zarrachaning energiyasi va momentumini bilgan holda, relativistik kinematikaning formulalari yordamida massani printsipial ravishda hisoblash mumkin, ammo, afsuski, ularni o'lchashdagi xatolar odatda shunchalik kattaki, ular farqlashga imkon bermaydi, masalan. , wt yaqinligi tufayli muondan pi-mezon.

Bunday holda, zarrachalarni aniqlashning to'rtta asosiy usuli mavjud:

tomonidan javob ichida turli xil turlari kalorimetrlar va muon naychalari.
tomonidan energiya chiqishi trek detektorlarida. Har xil zarralar yo'lning santimetri uchun har xil miqdorda ionlanish hosil qiladi va buni trek detektorlaridan signal kuchi bilan o'lchash mumkin.
Yordamida Cherenkov hisoblagich. Agar zarracha sinishi ko'rsatkichi bo'lgan shaffof materialdan uchib o'tsa n bu materialdagi yorug'lik tezligidan kattaroq tezlikda (ya'ni, dan katta c/n), keyin u qat'iy belgilangan yo'nalishlarda Cherenkov nurlanishini chiqaradi. Agar detektor moddasi sifatida aerojelni olsak (odatiy sinishi indeksi). n= 1,03), keyin 0,99 tezlikda harakatlanadigan zarralardan Cherenkov nurlanishi. c va 0,995 c, sezilarli darajada farqlanadi.
Yordamida parvoz vaqti kameralari. Ularda juda yuqori vaqtinchalik aniqlikka ega bo'lgan detektorlar yordamida kameraning ma'lum bir qismida zarrachaning parvoz vaqti o'lchanadi va uning tezligi bundan hisoblanadi.

Ushbu usullarning har biri o'z qiyinchiliklari va xatolariga ega, shuning uchun zarrachalarni aniqlash odatda to'g'ri bo'lishi kafolatlanmaydi. Ba'zida detektordan olingan "xom" ma'lumotlarni qayta ishlash dasturi detektor orqali muon uchib ketgan degan xulosaga kelishi mumkin, garchi u aslida pion edi. Bunday xatolardan butunlay qutulish mumkin emas. Ishlamasdan oldin detektorni sinchkovlik bilan o'rganish (masalan, kosmik myuonlardan foydalanish), zarrachalarni noto'g'ri aniqlash hollari foizini aniqlash va haqiqiy ma'lumotlarni qayta ishlashda har doim uni hisobga olish qoladi.

Detektorlarga qo'yiladigan talablar

Zamonaviy zarracha detektorlari ba'zan raqamli kameralarning "katta akalari" deb ataladi. Biroq, kamera va detektorning ishlash shartlari tubdan farq qilishini esga olish kerak.

Avvalo, detektorning barcha elementlari bo'lishi kerak juda tez va bir-biri bilan juda aniq sinxronlashtirilgan. Katta adron to'qnashuvida, eng yuqori ko'rsatkichda, to'dalar soniyasiga 40 million marta to'qnashadi. Har bir to'qnashuvda zarrachalarning tug'ilishi sodir bo'ladi, bu detektorda o'z "rasmini" qoldiradi va detektor ushbu "tasvirlar" oqimida "bo'g'ilib qolmasligi" kerak. Natijada, 25 nanosekundda uchuvchi zarralar qoldirgan barcha ionlanishni to'plash, uni elektr signallariga aylantirish va detektorni tozalash, uni zarrachalarning keyingi qismiga tayyorlash kerak. 25 nanosekundda zarrachalar bor-yo‘g‘i 7,5 metrga uchadi, bu esa katta detektorlarning o‘lchami bilan solishtirish mumkin. Detektorning tashqi qatlamlarida o'tuvchi zarrachalardan ionlanish to'planib borayotgan bir paytda, keyingi to'qnashuvdagi zarralar allaqachon uning ichki qatlamlari orqali uchib o'tmoqda!

Detektor uchun ikkinchi asosiy talab radiatsiya qarshiligi. To'dalarning to'qnashuv joyidan uzoqda uchadigan elementar zarralar haqiqiy nurlanishdir va juda qattiq. Masalan, cho'qqi detektori ish paytida qabul qiladigan ionlashtiruvchi nurlanishning kutilgan so'rilgan dozasi 300 kilogramm va sm 2 uchun 5 · 10 14 neytronning umumiy neytron oqimi. Bunday sharoitlarda detektor yillar davomida ishlashi va hali ham xizmat ko'rsatishi kerak. Bu nafaqat detektorning materiallariga, balki u to'ldirilgan elektronikaga ham tegishli. Bunday og'ir radiatsiya sharoitida ishlaydigan nosozliklarga chidamli elektronikani yaratish va sinab ko'rish uchun bir necha yil kerak bo'ldi.

Elektronika uchun yana bir talab - past quvvat chiqishi. Ko'p metrli detektorlar ichida bo'sh joy yo'q - hajmning har bir kub santimetri foydali uskunalar bilan to'ldirilgan. Sovutish tizimi muqarrar ravishda detektorning ish hajmini olib tashlaydi - axir, agar zarracha sovutish trubkasi orqali uchib ketsa, u ro'yxatga olinmaydi. Shuning uchun elektronikadan energiya chiqishi (detektorning barcha komponentlaridan ma'lumot oladigan yuz minglab alohida taxtalar va simlar) minimal bo'lishi kerak.

Qo'shimcha adabiyotlar:

K. Groupen. "Elementar zarracha detektorlari" // Sibir xronografi, Novosibirsk, 1999 yil.
Zarrachalar detektorlari (PDF, 1,8 Mb).
Zarrachalar detektorlari // bobdan o'quv qo'llanma B. S. Ishxonov, I. M. Kapitonov, E. I. Kabin. “Zarralar va yadrolar. Tajriba". M.: Moskva davlat universiteti nashriyoti, 2005.
N. M. Nikityuk. Nozik mikroapeks detektorlari (PDF, 2,9 Mb) // ECHAYA, 28-jild, №. 1, 191–242-betlar (1997).

ch.da. XXIII biz mikrozarrachalarni aniqlashda foydalaniladigan qurilmalar – bulutli kamera, sintillyatsion hisoblagich, gaz razryad hisoblagichi bilan tanishdik. Ushbu detektorlar elementar zarrachalarni o'rganishda qo'llanilsa-da, ular har doim ham qulay emas. Gap shundaki, elementar zarrachalarning o'zaro o'zgarishi bilan birga keladigan eng qiziqarli o'zaro ta'sir jarayonlari juda kamdan-kam hollarda sodir bo'ladi. Qiziqarli to'qnashuv sodir bo'lishi uchun zarracha yo'lda juda ko'p nuklonlar yoki elektronlar bilan uchrashishi kerak. Amalda u zich moddada o'nlab santimetr - metrlar bilan o'lchanadigan yo'ldan o'tishi kerak (bunday yo'lda milliardlab elektron voltli energiyaga ega bo'lgan zaryadlangan zarracha ionlanish tufayli o'z energiyasining faqat bir qismini yo'qotadi).

Biroq, bulutli kamerada yoki gaz chiqarish hisoblagichida sezgir qatlam (zich modda nuqtai nazaridan) juda nozik. Shu munosabat bilan zarrachalarni aniqlashning boshqa usullari qo'llanildi.

Fotosurat usuli juda samarali ekanligini isbotladi. Maxsus nozik taneli fotografik emulsiyalarda emulsiyani kesib o'tgan har bir zaryadlangan zarracha iz qoldiradi, plastinka ishlab chiqilgandan so'ng mikroskop ostida qora donalar zanjiri shaklida aniqlanadi. Fotografik emulsiyada zarracha qoldirgan izning tabiatiga ko'ra, bu zarraning tabiatini - uning zaryadini, massasini va energiyasini aniqlash mumkin. Fotografik usul nafaqat qalin materiallardan foydalanish mumkinligi, balki fotografiya plitasida bulutli kameradan farqli o'laroq, zaryadlangan zarrachalarning izlari zarracha o'tgandan keyin tez orada yo'qolib qolmasligi uchun ham qulaydir. Noyob hodisalarni o'rganishda yozuvlar fosh qilinishi mumkin uzoq vaqt; Bu, ayniqsa, kosmik nurlarni o'rganishda foydalidir. Fotografik emulsiyada olingan noyob hodisalarga misollar yuqorida rasmda ko'rsatilgan. 414, 415; Rasm ayniqsa qiziq. 418.

Yana bir ajoyib usul o'ta qizib ketgan suyuqliklarning xususiyatlaridan foydalanishga asoslangan (I-jild, § 299-ga qarang). Juda toza suyuqlik qaynash nuqtasidan biroz yuqoriroq haroratgacha qizdirilsa, suyuqlik qaynamaydi, chunki sirt tarangligi bug 'pufakchalari paydo bo'lishiga to'sqinlik qiladi. Amerikalik fizik Donald Glaeser (1926 yilda tug'ilgan) 1952 yilda o'ta qizib ketgan suyuqlik etarli darajada intensiv nurlantirilganda darhol qaynab ketishini ta'kidladi; -nurlanish natijasida suyuqlikda hosil bo'lgan tez elektronlar izlarida ajralib chiqadigan qo'shimcha energiya pufakchalarning paydo bo'lishi uchun sharoit yaratadi.

Ushbu hodisaga asoslanib, Glezer suyuq pufakchali kamera deb ataladigan narsani yaratdi. Suyuqlik da yuqori qon bosimi qaynash nuqtasiga yaqin, lekin undan kamroq haroratgacha qizdiriladi. Keyin bosim va u bilan qaynash nuqtasi pasayadi va suyuqlik qizib ketadi. Bu vaqtda suyuqlikni kesib o'tgan zaryadlangan zarrachaning traektoriyasi bo'ylab bug' pufakchalari izi hosil bo'ladi. To'g'ri yoritish bilan uni kameraga olish mumkin. Qoida tariqasida, qabariq kameralari kuchli elektromagnitning qutblari orasida joylashgan bo'lib, magnit maydon zarracha traektoriyalarini egadi. Zarracha izining uzunligini, uning egrilik radiusini va pufakchalar zichligini o'lchash orqali zarrachaning xususiyatlarini aniqlash mumkin. Endi qabariq xonalari mukammallikning yuqori darajasiga erishdi; ish, masalan, bir necha kub metr sezgir hajmi bilan suyuq vodorod bilan to'ldirilgan kameralar. Pufakchalar kamerasidagi zarrachalar izlarining fotosuratlariga misollar rasmda ko'rsatilgan. 416, 417, 419, 420.

Guruch. 418. Kosmik nurlar bilan nurlangan fotografik emulsiyalar stekida qayd etilgan zarrachalarning o'zgarishlari. Bir nuqtada ko'rinmas tez neytral zarracha emulsiya yadrolaridan birining bo'linishiga olib keldi va mezonlarni (21 yo'ldan iborat "yulduz") hosil qildi. Mezonlardan biri -mezon atrofdagi yo'lni bosib o'tib (fotosuratda faqat izning boshi va oxiri ko'rsatilgan; fotosuratda ishlatilgan kattalashtirish bilan butun iz uzunligi bo'lar edi) to'xtadi. nuqta va sxema bo'yicha chirigan . -izi pastga yo'naltirilgan mezon nuqtada yadro tomonidan tutilib, uning bo'linishiga olib keldi. Bo'linish bo'laklaridan biri yadro bo'lib, u parchalanish orqali yadroga aylanib, bir zumda qarama-qarshi yo'nalishda uchadigan ikkita zarrachaga parchalanadi - rasmda ular "bolg'a" ni tashkil qiladi. -mezon to'xtab, -myuonga (va neytrinoga) aylandi (nuqta). O'ngda -muon izining oxiri berilgan yuqori burchak chizish; parchalanish jarayonida hosil bo'lgan pozitronning izi ko'rinadi.

Guruch. 419. -giperonlarning hosil bo`lishi va yemirilishi. Magnit maydondagi va antiprotonlar bilan nurlangan vodorod qabariq kamerasida reaksiya . Bu izning oxirgi nuqtasida sodir bo'ldi (rasmning yuqori qismidagi diagrammaga qarang). Neytral lambda va anti-lambda giperonlari qisqa masofani iz qoldirmasdan uchib o'tib, sxema bo'yicha parchalanadi. Antiproton proton bilan annigilyatsiya qilinadi, protonda ikkita va ikkita -mezon-kvant hosil qiladi; proton qilmaydi ko'rinadigan iz, chunki katta massa tufayli -kvant bilan o'zaro ta'sirlashganda etarli energiya olmaydi