Как мы можем «видеть»/измерять/обнаруживать частицы во время экспериментов?

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$D$-мезон распадается на$K^+ \pi^-$пара. Из сохранения энергии и импульса вы получаете энергию и импульс$D$. «Правильный» каон и пион находится путем перебора всех комбинаций каонов и пионов и сохранения только тех комбинаций, которые соответствуют определенному требованию, например массе$D$который можно рассчитать по энергии$E$и импульс$p$в качестве$m_D = \sqrt{(E_K + E_\pi)^2 - |\vec{p}_K + \vec{p}_\pi|^2}$. 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!