Как мы можем обнаружить частицы, не имеющие электрического заряда?

Есть 3 нейтральные частицы, которые стабильны во времени коллайдерных событий:$\gamma$,$n$,$\nu$/$\bar{\nu}$.

(Анти)нейтрино (в основном от мезонов, мюонов и$Z$распадается) не может быть обнаружен и ускользает. В таких событиях, как:

$$X \rightarrow \mu + \nu_{\mu}$$

о нейтрино можно судить по отсутствующему (поперечному) импульсу. В$pp$столкновения, при котором взаимодействуют два партона, продольный импульс начального состояния неизвестен, а поперечный импульс равен нулю. Мюон будет обнаружен с большим поперечным импульсом, оставив «недостающий импульс», который приписывается нейтрино.

Нейтроны в основном не являются фактором в коллайдерах. Конкретные эксперименты по ядерной физике средних энергий рассматривают нейтроны в конечном состоянии, обычно с учетом поляризации нейтронов. См. , например, http://galileo.phys.virginia.edu/Research/groups/INPP/gen/ndet/ndethome.html .

Обнаружение фотонов является важной частью экспериментов на коллайдерах, так как многие интересующие процессы производят жесткие$\gamma$с. По этой причине внешние слои детекторов имеют калориметры из свинцового стекла. Нейтральные фотоны будут пересекать материал детектора с более низким Z и взаимодействовать со свинцом в$Pb$-стекло за счет образования пар в сильном электрическом поле вблизи ядра:

$$\gamma \rightarrow e^+e^-$$

затем тормозное излучение:

$$e \rightarrow e\gamma$$

и так далее в электромагнитном ливне. Потеря энергии происходит через$dE/dx$ионизация, которая примерно постоянна для наблюдаемых энергий. Отсюда: полная длина трека заряженной частицы пропорциональна$E_{\gamma}$.

Поскольку свинец находится в прозрачном стекле,$e^{\pm}$испускают черенковый свет. Общее количество излучаемого света пропорционально длине дорожки, и, следовательно:$E_{\gamma}$.

Между тем мюоны с их большей массой не инициируют ливни. Они пересекают калориметр и могут быть обнаружены сцинтилляционными лопастями на выходе.

Ускорители частиц ищут электрические изменения, но что, если частица не влияет на другие частицы или электрический заряд, разве мы не обнаружим это?

Эффекты называются взаимодействиями, там есть четыре силы взаимодействия. Мы можем игнорировать гравитацию на уровне частиц, но есть электромагнитная, слабая и сильная, каждая из которых описывается со своей силой . Насколько вероятно, что частица, столкнувшаяся с другой частицей, будет взаимодействовать, зависит от силы связи.

Возьмем БАК, когда протоны сталкиваются с протонами, создается большое количество частиц с энергией, поставляемой коллайдером, в первую очередь из-за сильного взаимодействия, частицы-продукты могут быть заряженными или нейтральными, но все они имеют энергию. Огромные детекторы сконструированы таким образом, чтобы при непрерывных взаимодействиях определять тип частиц.

Только нейтральные частицы, взаимодействующие только со слабым взаимодействием, могут проходить через детектирующую систему без измерения, и они «детектируются» из соображений сохранения энергии и импульса. Нейтрино относятся к этой категории, но поиски новой физики могут рассматривать недостающую энергию и импульс как сигнал чего-то нового.

Возьмите детектор cms:

Фигура мужчины дает ощущение размера, и сложность очевидна. Вот почему для создания, обслуживания и анализа таких экспериментов требуются тысячи людей со всего мира. Как обнаруживаются частицы, анализируется по ссылке. Документ Higgs CMS был написан более чем 5000 человек .

Здесь можно увидеть список реальных событий, измеренных детектором.

В этом моем ответе на связанный с этим вопрос я обсуждаю, как работают детекторы в текущих экспериментах LHC. Также здесь .