Warning: count(): Parameter must be an array or an object that implements Countable in /data/www/livni-tmp/libraries/cms/application/cms.php on line 464

Warning: count(): Parameter must be an array or an object that implements Countable in /data/www/livni-tmp/libraries/cms/application/cms.php on line 464
Детектори

Детектори

 

Как детекторите на частици регистрират частиците?

Цел на този раздел е да ви помогнем да разберете от какви устройства ще получаваме реални (уникални) експериментални данни и как те ще се превърнат в тези «единици и нули», които ще се пазят и обработват в нашите компютери. Това са много кратки и уводни забележки. Тези от вас, които искат да задълбочат своите знания, трябва да търсят и четат допълнителна информация. Ако възникнат въпроси, то можете да попитате на този сайт.

 

Какво е това съвременен детектор на «елементарни« частици?

Да го определиме като “устройство за фиксиране, във вид на електрически сигнал, акта на преминаване на частицата през работния обем на детектора”. Четенето на курса «Експериментални методи на ядрената физика» за студенти от 4-5 курс на Московския физико-технически институт продължава два семестъра. Наша задача е да дадеме обща представа за един тип детектор на 2-3 страници. Затова — само основното.

Първото, което ще направим — няма да разглеждаме всички видове детектори, фиксиращи нещо на фото материал. Ерата на тяхното масово използване е минала.

Следващото, което трябва да разбереме — частицата може да бъде регистрирана само ако тя по някакъв начин е взаимодействала с веществото на детектора. Това е очевидно, но следва извода, че може да съществуват неизвестни частици, които не взаимодействат с обикновеното вещество и за които до сега нищо не знаем.

 

Как взаимодействат частиците с веществото и детекторите?

Отговор — теоретично по всички известни на нас начини. Това значи, че частицата може да взаимодейства чрез всеки възможен за нея тип на взаимодействие.В момента науката знае само 4 типа такива взаимодействия: гравитационно, електромагнитно, силно и слабо. Нека ги разгледаме.

    • Гравитационно - това е общо, универсално взаимодействие между всички обекти, които имат маса. Действието му е на всички разстояния и намалява квадратично с разстоянието. НО, понеже масите на нашите частици са много малки — то взаимодействия на елементарните частици за сметка на гравитацията практически няма — чисто теоретичен ефект.
    • Електромагнитно (ЕМ) - имат го всички тела с електрически заряд. То, както и гравитационното, действа на всички разстояния и зависи от него квадратично (намалява).
    • Силно. Действително силно взаимодействие, НО само за част от обектите (така наречените адрони) и само на къси (ядрени) разстояния. Свързва протони и неутрони в ядрото. Използва се за регистрацията на някои частици (преди всичко на тези,които нямат заряд — неутроните) или за измерване енергиите на частиците. За най-популярната експериментална задача — многократното измерване на координата/време на преминаване на частицата не може да бъде използвано1.
    • Слабо. Действително — слабо. От една гледна точка — универсално (не като силното) и действа на всичко (освен на гама квантите — светлината) и това е хубаво, но освен, че е слабо, то е и късодействащо. Извод — за ефективна регистрация не става.

 

Характеристики взаимодействияГравитацияСлабоЕМСилно
Порядок на константата на взаимодействие 10-38 10-6 10-3 1
Радиус 10-16 10-13
Mна преносвачаGev 0 w,z ~ 100 0 ∏ ~ 0.1
Универсалност All All All Hadrons
Квантуване ? Да Да Да

 

Наивно би било да се мисли, че от тези къси тезиси ще разберете нещо за типовете на взаимодействията, но това ще бъде полезно за следващите обсъждания. Сега е важен един извод — единствен ефективен начин да се регистрира частица е да се използва това, че заредена частица взаимодейства чрез електромагнитно взаимодействие.

И това е обяснимо защо. Ядрото е малко и се намира дълбоко в атомите/ молекулите. Да се попадне в него (а трябва да се попадне практически точно, понеже зад пределите на ядрото нито силно, нито слабо взаимодействие практически няма — действие само на късо разстояние) е малко вероятно. Много по-голямо пространство запълват електронните облаци. Сега си представете, че през вещество (газ, течност или твърдо тяло) лети заредена частица. Понякога тя (много рядко) «среща« ядро и тогава имаме силно или слабо взаимодействие, но много по-често тя взаимодейства за сметка на електромагнитното взаимодействие, което е на всички разстояния (R на квадрат!). Ако стига сила — тя откъсва електрон и възбужда атома. Този процес се нарича “йонизационни загуби във веществото”.

Този процес на взаимодействие: частица - вещество от обема на детектора, лежи в основата на почти всички типове детектори на частици.

За сега стига толкова теория! Да се върнеме към нашата главна задача — да регистрираме частици от ШАП на земната повърхност и да докажем на себе си и всички други, че това е действително случай на ШАП.

В нашата проста установка—РУСАЛКА главният детектор е сцинтилационен брояч. Това е най-простия в експлоатация и стабилен при работата детектор. Каква е веригата от процеси протича в него от момента на преминаване на частицата през него, до електрическия сигнал на изхода? Като работно вещество в детектора ние използваме пластмасов сцинтилатор. Той се прави от обикновена, но прозрачна пластмаса, в която се внасят особени добавки. В резултат, в такава пластмаса, преминалата частица ще претърпи йонизационни загуби и ще излъчи определено количество светлинни кванта. Това ще се случи поради това, че част от възбуждането на атома на пластика ще бъде «преобразено» в излъчване на гама кванти на видима светлина, а няма да отива в топлинни колебания или други ефекти, които не се регистрират. За регистрация на светлината се използва фотоелектронен умножител (ФЕУ), който също е много надежден прибор. Схемата е стандартна — четете в интернета всичко, каквото намерите и питате, каквото не е ясно.


1 За цял клас експериментални задачи — например определяне ъглите на излитане от точката на взаимодействието или импулса им (в магнитно поле) трябва многократно измерване на координати/ времена на частиците, но направено така, че колкото се може по-малко да се изменят началните характеристики на частиците — направление на движение и енергия. Това е един от примерите на постоянно възникващите в експерименталната физика противоречия — за да бъде регистрирана частицата тя трябва да взаимодейства, но, в много случаи ни се иска тя нищо да не си измени — а това очевидно е невъзможно.


Warning: count(): Parameter must be an array or an object that implements Countable in /data/www/livni-tmp/libraries/cms/application/cms.php on line 464