Детекторы

 

Как детекторы регистрируют частицы?

Задача этого раздела помочь вам понять с помощью каких устройств мы будем получать реальные и поэтому уникальные экспериментальные данные и каким образом они превратятся в те “единицы и нолики”, которые будут храниться и затем обрабатываться на наших компьютерах. Это очень краткие и вводные заметки. Тем из вас, кто захочет углубить свои знания, необходимо искать и читать дополнительную информацию. Если возникнут вопросы - их можно задать на этом сайте.

 

Что такое современный детектор “элементарных” частиц?

Определим это как “устройство для фиксирования в виде электрического сигнала акта прохождения частицы через чувствительный объём детектора”. Чтение курса “Экспериментальные методы ядерной физики” для студентов 4-5 курсов МФТИ занимает два семестра.

Наша задача дать вам общее представление об одном типе детектора на 2-3 страницах. Поэтому только основное.

Первое, что мы сделаем, - исключил из рассмотрения все виды детекторов фиксирующих что либо на фотоматериале. При всех исключениях - эра массового использования таких детекторов прошла.

Следующее, что надо понять, - частица может быть зарегистрирована, если она хоть как то провзаимодействовала с веществом детектора. Это очевидно, но приводит к заключению, что возможно существуют неизвестные частицы которые не взаимодействуют с обычным веществом и про которые мы до сих пор ничего не знаем.

 

Как взаимодействует частица с веществом вообще и детектора в частности?

Ответ - теоретически всеми известными нам способами. Имеется в виду что частица может провзаимодействовать любым возможным для нее типом взаимодействия. На сегодня наука знает только 4 типа таких взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Рассмотрим их по порядку.

    • Гравитационное - это всеобщее или универсальное взаимодействие возникающее между любыми объектами, обладающими массой. Кроме того оно действует на любом расстоянии убывая как квадрат этого расстояния. НО поскольку масса наших частиц очень мала - то взаимодействия элементарных частиц за счет гравитации практически нет - чисто теоретический эффект.
    • Электромагнитное (ЭМ) - им обладают все тела имеющие электрический заряд. Оно, как и гравитационное действует на любом расстоянии и также зависит от расстояния (убывает как R квадрат).
    • Сильное - действительно сильное взаимодействие, НО действует только на часть объектов (так называемых адронов) и только на коротких (ядерных) расстояниях. Оно обеспечивает связь протонов и нейтронов в ядре. Используется для регистрации (детектирования) некоторых частиц (прежде всего тех, что не имеют заряда - нейтрон, или измерения энергии частицы. Для наиболее популярной экспериментальной задачи - многократного измерения координаты/времени прохождения частицы не пригодно1.
    • Слабое с одной стороны - универсальное, в отличие от сильного, то есть действует на все (кроме гамма-квантов - света) и это хорошо, но мало того, оно действительно слабое, так еще и короткодействующее. Вывод - использовать для эффективной регистрации плохо.

 

Характеристики взаимодействияГравитацияСлабоеЭМСильное
Порядок константы взаимодействия 10-38 10-6 10-3 1
Радиус 10-16 10-13
MпереносчикаGev 0 w,z ~ 100 0 ∏ ~ 0.1
Универсальность All All All Hadrons
Квантование ? Да Да Да

 

Наивно было бы думать, что вы из этих коротких тезисов вы хорошо поняли про типы взаимодействий, но пусть это будет еще одна затравка для дальнейших обсуждений. Сейчас нам важен один вывод - единственный эффективный способ зарегистрировать частицу - использовать способность заряженной частицы взаимодействовать за счет электромагнитного взаимодействия.

И это понятно почему. Ядро - оно маленькое и сидит в глубине атомов/молекул. Попасть в него (а ведь надо почти точно попасть, так как за пределами ядра ни сильного ни слабого взаимодействия практически нет - короткодействующие) маловероятно. Значительно большее пространство занимают электронные оболочки. Теперь представьте, что через среду (любую: - газ, жидкость или твердое тело) летит заряженная частица. Она иногда (очень редко) “натыкается” на ядро и тогда происходит сильное или слабое взаимодействие, но куда чаще она взаимодействует за счет ЭМ взаимодействия, которое действует на всех расстояниях ( R квадрат!). Если силы хватает - она отрывает этот электрон и возбуждает атом. Этот процесс называется “ионизационные потери в веществе”.

Вот этот процесс взаимодействия: частица - вещество чувствительного объема детектора, и лежит в основе подавляющего типа детекторов частиц.

Вернемся к нашей главной задаче - зарегистрировать частицы широкого атмосферного ливня (ШАЛ) на поверхности Земли и доказать при этом себе и всем другим, что ты зарегистрировал именно случай ШАЛ.

В нашей простой установке - РУСАЛКА главный детектор - сцинтилляционный счетчик. Это самый неприхотливый в эксплуатации и стабильный в работе детектор частиц. Какая цепочка процессов происходит в сцинтилляционном детекторе от момента прохождения через его чувствительный объем частицы до электрического сигнала на выходе? В качестве рабочего вещества в сцинт. детекторе мы используем пластический сцинтиллятор. Он делается из обычной, но прозрачной пластмассы в которую при варке вносят особые добавки. В результате такой пластик, в котором прошедшая через него частица произведет описанные выше ионизационные потери, излучит некое количество квантов света. Это произойдет из за того, что часть возбуждения атома такого пластика может “сниматься” путем высвечивания гамма квантов видимого света, а не уходить в тепловые колебания или прочие не регистрируемые эффекты. Для регистрации света используется - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), тоже очень надежный прибор. Я снова не буду тратить время на описание его работы. Схема обычная - вы читаете в интернете все что найдете начиная с википедии и спрашиваете, что неясно.

Фотографии внутренней “начинки” наших счетчиков можно найти здесь.


1 Для целого класса экспериментальных задач - например определения углов вылета частиц из точки взаимодействия или их импульса (в магнитном поле) требуется многократное измерение координаты/времени частицы, но выполненное таким образом, чтобы как можно меньше изменить исходные характеристики частицы - направление ее движения и энергию. Это один из примеров постоянно возникающих в экспериментальной физика противоречий - с одной стороны для регистрации частица должна провзаимодействовать, но, во многих случаях, хотелось бы, чтобы она провзаимодействовала ничего при этом в себе не изменив - что, очевидно, невозможно.