Как отслеживаются пути частиц в ускорителях частиц?

Как вы можете отслеживать пути этих частиц, не мешая частице и не разрушая ее?

Вы не знаете. На самом деле пути не являются «естественными», они создаются как часть процесса измерения.

В основном детекторы полагаются на частицы, обладающие такой большой энергией, что они не будут слишком сильно мешать взаимодействиям с тем, что они используют для их обнаружения. Существует множество способов сделать само обнаружение, но большинство из них полагаются на какое-то сверхчувствительное состояние, которое нарушит прохождение заряженной частицы.

Например, в барботажной камере жидкий водород приводится в критическое состояние. Когда через него проходит заряженная частица, быстрое прохождение заряда ионизирует водород, что вызывает образование пузыря. Пузырь достаточно большой, чтобы его можно было сфотографировать. Частица замедляется взаимодействием, но это нормально.

Теперь нам нужно идентифицировать эту частицу. Обычно это достигается помещением камеры в действительно мощный магнит. Магнит будет взаимодействовать с заряженной частицей и заставит ее искривляться по окружности. Радиус этого круга определяется зарядом (который в этих случаях обычно равен 1) и массой частицы. Таким образом, измерив радиус, вы можете вычислить массу и, таким образом, идентифицировать частицу.

Посмотрите на первое изображение, которое вы разместили. Вы видите серию кругов прямо посередине? Это одна частица. Когда он впервые отделился, в реакции в центре он двигался влево. Магнит потянул его по кругу по часовой стрелке. Когда он двигался по кругу, он реагировал с любым используемым детектором и терял энергию. Вот почему круги становятся все меньше и меньше.

Вы также заметите линии, которые выглядят идеально прямыми или слегка изогнутыми. Все они изогнутые, настолько маленькие, что кажутся прямыми. Это означает, что магнит не так сильно влияет на их путь, что обычно означает, что они тяжелее (в отличие от меньшего заряда).

Существуют всевозможные детекторные системы, но в основном все они работают примерно так. Вы даже можете использовать фотопленку в качестве детектора, что раньше было довольно распространенным явлением. Существуют системы, которые отслеживают крошечное количество электричества, создаваемого при прохождении частицы, системы, использующие сцинтилляцию кристалла, всевозможные различные концепции, но, в конце концов, все они работают в основном одинаково, пытаясь определить, что происходит.

Это иллюстрация среза детектора CMS в ЦЕРН , который дает наконец изображения для одиночных взаимодействий протона с протоном в центре детектора.

Реальный размер детектора можно увидеть здесь.

Детектор CMS состоит из ряда различных детекторов. Все заряженные треки взаимодействуют при электромагнитном взаимодействии с материалом детектора, оставляя след.

Начиная слева, кремниевый трекер видит заряженные частицы в магнитном поле с минимумом вещества на пути, так что нейтралы не будут там взаимодействовать, а заряженные, покидающие свой след, теряют мало энергии и импульса. Это как набор точек. Гаммы улавливаются электромагнитным калориметром, адроны заряженные и нейтральные, заканчивают всю свою энергию в адронном калориметре, слабо взаимодействующие мюоны проходят через большую массу, как видно на иллюстрации.

Все данные представляют собой возбуждения, записанные тысячами электронных компонентов. Карта их геометрии находится в компьютере, так что треки могут быть восстановлены по точкам в кремниевом трекере, измеренная энерговыделенная энергия измеряется в калориметрах. Все эти данные идентифицируют один протонный протонный разброс, одно событие. Накопление событий позволяет изучать взаимодействие протона на протоне, сравнивать его с теоретическими моделями.

Запись пути, пройденного частицами одного из таких событий, реконструирована в приведенной вами ссылке.

Я разделю свой ответ на две части: треки фотонов и треки массивных частиц.

Но во-первых, путь частиц всегда реконструируется с большей или меньшей точностью. Непрерывное измерение дорожек невозможно. Кроме того, треки полезны, но в конечном итоге вас больше интересует импульс частиц.

• Фотоны:

Как вы сказали, вы не можете обнаружить фотон, не уничтожив его. Поэтому происхождение фотона должно быть известно. Это делается в анализе, зная другие частицы и их распад/взаимодействия. Если обнаружение фотона совпадает по времени, положению и может исходить из точки взаимодействия, вы можете реконструировать путь фотона (который является линейным, поэтому достаточно исходной и конечной точек).

• Другие массивные частицы:

Они могут взаимодействовать с материей, не разрушаясь и не останавливаясь. Частица вкладывает небольшое количество своей энергии в детектор, и в процессе эта энергия создает сигнал в позиционно-чувствительном детекторе. Если у вас есть N слоев детекторов, у вас может быть N точек, которые вы используете для получения изображения трека. Эти детекторы могут быть «газовыми», например, GEM, Micromégas или Multi-Wire camera, или сделаны из кремния, я не специалист по этим. Есть и другие позиционно-чувствительные детекторы, но я с ними не знаком.

ИСКЛЮЧЕНИЕ: я сказал, что вы не можете видеть следы, но есть одно устройство, которое может производить непрерывные видимые следы частиц (кроме фотонов), пузырьковая камера .

Надеюсь, это прояснит, как обнаруживаются частицы и в чем разница между обнаружением фотонов и других частиц.