Detektory

 

Jak detektory registrují částice?

Úlohou této části je vysvětlit s pomocí jakých zařízení získáme reálné a proto unikátní experimentální data a jak se z nich stanou "jedničky a nuly", které uložíme a posléze budeme analyzovat na našich počítačích. Je to jen krátká a prvotní informace. Ti, kteří zachtějí získat hlubší vědomosti, si budou muset přečíst doplňující literaturu. Jestli však budete mít otázky neváhejte se zeptat na této stránce.

 

Co je to moderní detektor "elementárních" částic? 

Zadefinujeme ho jako "zařízení na registraci faktu průchodu částice citlivým objemem detektoru vydáním elektrického signálu" Přednášky "Experimentální metody v jaderné fyzice" studentům 4-5 ročníku MFTI jsou rozpočítány na dva semestry. Naší úlohou je seznámit vás, byť jen všeobecně, s jedním typem detektoru na dvou-třech stránkách. Proto jen to nejdůležitější.

První co uděláme bude, že vyloučíme všechny typy detektorů, které zaznamenávají cokoliv na fotografickém materiále. Tyto detektory už mají éru hromadného použití za sebou.

Další, co je třeba pochopit. Částice může být zaregistrována jen tehdy, jestliže vyvolala nějaké změny v materiále detektoru. Je to zřejmé, ale logicky z toho vyplývá, že mohou existovat částice, které nepůsobí na běžné materiály (neinteragují s nimi) a o existenci kterých my doposud nemáme ani tušení.

 

Jak interaguje částice s materiálem ve všeobecnosti a s detektorem konkrétně?

Odpověď zni: teoreticky všemi nám doposud známými způsoby. Chápeme to tak, že částice může interagovat libovolným možným pro ni způsobem. V současnosti poznáme pouze čtyři základní druhy interakce (vzájemného působení): gravitační, elektromagnetické, silné a slabé. Pohovoříme o nich popořádku.

  • Gravitační - je všeobecné neboli univerzální vzájemné působení na sebe hmotných (majících hmotu) objektů. Navíc působí na libovolnou vzdálenost, přičemž slábne s druhou mocninou vzdálenosti. Ale, protože hmota našich částic je velmi malá je i jejich vzájemné působení zapříčiněné gravitací minimální - je to čistě teoretický efekt.
  • Elektromagnetické (EM) - působí na všechny částice které mají elektrický náboj. Stejně jako gravitační působí na libovolnou vzdálenost a je taktéž závislá na vzdálenosti (zmenšuje se s druhou mocninou R).
  • Silné. Je skutečně silné. Působí však jen na část objektů (tzv. hadronů) a pouze na velmi malé (jaderné) vzdálenosti. Zabezpečuje spojení protonů s neutrony v jádře. Používá se při registraci (detekci) některých částic (především těch, které nemají náboj - neutronů), nebo měření změny energie částice. Pro nejpopulárnější experimentální úlohu - mnohonásobné měření souřadnice-času průchodu částice se nehodí1.
  • Slabé. Je skutečně slabé. Na jedné straně je univerzální a na rozdíl od silného působí na všechno (kromě gama kvant světla) což je dobře, z druhé strany je nejenom slabé, ale trvá jen velmi krátkou dobu. Závěr - je špatně použitelné pro efektivní registraci částic.

 

      

Specifikace rozhraníGravitačníSlabéEMSilné
Pořadí kopulačních konstant 10 -38 10 -6 10 -3 1
Poloměr 10 -16 10 -13
M vector Gev 0 w, z ~ 100 0 Π ~ 0.1
Všestrannost Všechny Všechny Všechny Hadrony
Kvantovací ? Ano Ano Ano

 

Bylo by naivní myslet si, že jste z těchto krátkých popisů pochopili jak probíhají všechny typy interakcí. Je to však další impulz pro budoucí diskuze. Nyní je pro nás podstatné, že jediný efektivní způsob jak zaregistrovat částice je využít elektromagnetické interakce částic s elektrickým nábojem.

Je pochopitelné proč. Jádro je malinké a je skryto uvnitř atomu. Strefit se do něj (a je se třeba skutečně strefit, protože za hranicí jádra slabá ani silná interakce prakticky nemají vliv a jsou krátkodobé) je velmi nepravděpodobné. Daleko větší prostor zaujímá elektronový obal. Nyní si představte, že skrz prostředí (libovolné ať už plyn, tekutinu nebo pevnou látku) letí nabitá částice. Někdy (velmi zřídka) narazí na jádro a pak proběhne slabá nebo silná interakce, zato daleko častěji interaguje elektromagneticky (EM působí ve všech vzdálenostech - R2). Jestli je působení dostatečně silné, nabudí nebo odtrhne elektron v/z elektronového obalu. Tento proces se jmenuje excitace/ionizace prostředí a energie ztracená prolétávající částicí jsou její ionizační ztráty.

A právě taková interakce mezi částicí a materiálem (prostředím) citlivého objemu detektoru je využívána ve většině detektorů částic.

Zatím stačí teorie! Vrátíme se k našemu hlavnímu úkolu - zaregistrovat částice široké atmosférické spršky (ŠAS) na zemském povrchu a dokázat sobě i jiným, že jsme zaregistrovali právě ŠAS.

V našem jednoduchém zařízení - RUSALCE - je základním detektorem scintilační čítač. Je to nenáročný na provoz a dostatečně stabilní detektor. Návaznost jakých dějů se odehrává v detektoru od momentu průchodu částice přes citlivý materiál detektoru do elektrického signálu na výstupu? Jako pracovní (citlivý) materiál detektoru používáme plastický scintilátor.Je vyroben z obyčejné, avšak průhledné umělé hmoty, do které jsou při výrobě dodány příměsi. Prolétavající skrz materiál detektoru částice ztratí energii, která způsobí excitaci/ionizaci materiálu. Ta není trvalá. Při návratu do původního stavu bude část uvolňované energie vyzářena v podobě fotonů (světelných částic). Část může být přeměněna na teplo nebo jiné tíže zaznamenatelné efekty. K registraci světla je použit fotonásobič (PMT), který je taktéž velmi spolehlivý. Opět nebudu ztrácet čas s popisem principu jeho práce. Postup je běžný. Přečtěte si na internetu vše, co najdete, počínajíc wikipedií a pak se zeptáte na to, co je vám nejasné.

Fotografie !vnitřní náplně našich detektorů si můžete prohlédnout zde.


 

1 Pro řadu experimentálních úloh, například určení úhlů výletu částic z bodu interakce nebo jejich hybnosti (v magnetickém poli) je zapotřebí mnohonásobně změřit polohu/čas částice tak, abychom co nejméně změnili původní charakteristiky částice - směr jejího pohybu a energii. Je to jeden z příkladů, stále v experimentální fyzice vznikajících protikladů. Kvůli detekci potřebujeme, aby částice interagovala, ale jinak bychom chtěli aby se s ní při interakci nic nestalo - což je zřejmě nemožné.