Я часто читаю (высокоуровневые, концептуальные) статьи и новости о достижениях физики элементарных частиц. В них делаются утверждения вроде «частица X распадается на частицы Y и Z, которые существуют примерно одну миллиардную долю секунды, а затем распадаются…».
Что меня интересует, так это то, как физик-экспериментатор видит или делает выводы (я понимаю, что частицы не наблюдаются напрямую), что происходит? Как на самом деле выглядят фундаментальные данные, которые он исследует и на которых основывает свои выводы, и как они получаются?
Вкратце: Физики анализируют конечные частицы в цепочке распада и выводят из них свойства интересных частиц.
Более подробно: детекторы частиц состоят из различных поддетекторов, которые измеряют различные величины, такие как путь заряженной частицы («отслеживание»), время полета, потери энергии и полную энергию. Из этих количеств создаются кандидаты в частицы. Это означает, что алгоритмы пытаются оценить массу частицы, оставившей след. Это можно сделать, объединив все ранее упомянутые количества (и некоторые другие).
После этого у вас есть список обнаруженных частиц в конечном состоянии, их импульс, энергия и масса. В зависимости от эксперимента они могут различать электроны, мюоны, заряженные пионы, заряженные каоны, протоны и фотоны. Все остальные частицы нуждаются в реконструкции. например, нейтральный -мезон распадается на пара. Из сохранения энергии и импульса вы получаете энергию и импульс . «Правильный» каон и пион находится путем перебора всех комбинаций каонов и пионов и сохранения только тех комбинаций, которые соответствуют определенному требованию, например массе который можно рассчитать по энергии и импульс в качестве . Это можно повторить несколько раз, двигаясь по цепочке распада в обратном направлении до интересующей частицы.
Конечно, есть более продвинутые методы, но они должны дать вам принципы.
Этот ответ следует читать параллельно с ответом Gnorkx.
Это один из самых последних детекторов частиц, CMS :
Детектор CMS в пещере на глубине 100 м под землей на Большом адронном коллайдере ЦЕРН.
Обратите внимание, какой крошечный человек на полу.
CMS — это детектор частиц, предназначенный для наблюдения за широким спектром частиц и явлений, возникающих в результате высокоэнергетических столкновений на БАК. Подобно цилиндрической луковице, разные слои детекторов измеряют разные частицы и используют эти ключевые данные для построения картины событий в центре столкновения.
Вот событие от этого детектора после обработки, описанной в другом ответе:
Реальное событие протон-протонного столкновения при энергии 13 ТэВ в детекторе CMS, в котором наблюдаются два высокоэнергетических электрона (зеленые линии), два высокоэнергетических мюона (красные линии) и два высокоэнергетических джета (темно-желтые конусы). Событие демонстрирует характеристики, ожидаемые от образования бозона Хиггса в результате слияния векторных бозонов с последующим распадом бозона Хиггса на четыре лептона, а также согласуется с фоновыми физическими процессами стандартной модели.
То же событие, показывающее луковые уровни детектора:
Этот мой ответ тоже может быть актуальным .
Вот запись в блоге о туре по пещере и детектору.
Отказ от ответственности: я не физик элементарных частиц, поэтому я могу неправильно понять некоторые детали эксперимента CMS или физики элементарных частиц, но физика детектора должна быть в порядке.
Предыдущие ответы дали хороший ответ на вопрос о том, как след конечных обнаруженных частиц можно использовать для определения свойств интересующих исходных частиц. Я попытаюсь дать немного больше информации о процессе преобразования присутствия частицы в обнаруживаемый сигнал, который можно вывести на экран компьютера.
Я думаю, что одним из самых простых примеров обнаружения частиц является обнаружение одиночных фотонов с помощью фотодиода. Возьмите однофотонный лавинный диодНапример. Абстрактно, одиночный фотон попадает в полупроводниковый материал и поглощается, создавая возбужденный электрон. Затем электрон проходит через полупроводник (управляемый электрическим полем, создаваемым напряжением смещения диода), выбивая на своем пути другие электроны, вызывая каскадный ток, который становится все больше и больше. Затем экспериментатор пропускает этот ток через резистор (трансимпедансный усилитель), чтобы создать напряжение, а затем измеряет это напряжение каким-либо осциллографом или вольтметром. Всякий раз, когда экспериментатор видит всплеск напряжения, он может сделать вывод о присутствии фотона в месте расположения детектора. Вот еще немного информации о квантовой механике фотодетектирования .
Существует широкий спектр различных типов детекторов, но основная идея заключается в том, что они используют некоторый процесс, в котором обнаруживаемая частица* преобразуется в электрон или вспышку электронов, которые затем усиливаются в обнаруживаемый ток или напряжение, а затем используют это напряжение, чтобы сделать вывод о присутствии (а иногда и об энергии) интересующей частицы. Кроме того, поместив множество таких детекторов в некоторый пространственный паттерн, вы можете получить еще больше информации об обнаруживаемой частице (такой как ее траектория или импульс), глядя на пространственный паттерн детекторов, которые «подсвечиваются» обнаруженной частицей.
Таким образом, в основном для любого «события» (ливень частиц от столкновений протонов) необработанные данные экспериментаторов представляют собой временную трассу напряжения, поступающего от каждого из миллионов ** детекторов одиночных частиц, которые составляют детектор CMS. Затем в чрезвычайно трудоемком процессе анализа все эти сигнальные каналы анализируются и объединяются в картину, которую экспериментаторы могут понять и далее анализировать, чтобы определить, какое взаимодействие создало поток частиц, который был обнаружен. В случае CMS все это требует работы тысяч ученых и инженеров.
* Быстрое сканирование вики CMS говорит мне, что есть детекторы для электронов, мюонов, фотонов, адронов (протонов, нейтронов, каонов, пионов), например.
**Вау, я только что узнал, сколько детекторов или «пикселей» состоит из детектора, это очень много!
Дэвид З.
Эрик Липперт