Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

29 апреля поздно вечером (перенесли пока) NASA запускает на орбиту церновский детектор элементарных частиц AMS-02 . Строили этот детектор 10 лет, его старшие «собратья» уже вовсю работают на Большом адронном коллайдере, то бишь, под землей, а этот — полетит в космос! :)

Вот церновский пресс-релиз , вот будет вестись онлайн-трансляция запуска начиная с 21:30 по средне-европейскому времени, твиттер ЦЕРНа тоже будет передавать сводки. Запуск и всю последующую работу можно отслеживать на сайте эксперимента . А я пока вкратце расскажу про аппарат и научные задачи.

AMS-02 — это самый настоящий детектор элементарных частиц (почти) со всеми его атрибутами. Размер его — 4 метра, масса — 8,5 тонн. Конечно, с такой махиной, как ATLAS , он не сравнится, но для запуска в космос (и установки на МКС) и этого немало.

Если подземные детекторы регистрируют частицы, родившиеся при рукотворном столкновении протонов и иных частиц, то AMS-02 будет регистрировать космические лучи — частицы очень больших энергий, прилетающие к нам из глубокого космоса, разогнанные на «природных ускорителях». Космические лучи, конечно, изучаются уже давно, почти век, но с ними до сих пор связано много загадок.

Самая главная задача нового детектора — со сверхвысокой точностью измерить состав космических лучей. Какова доля антивещества в космических лучях? Как она изменяется с энергией? Нет ли там в небольших количествах каких-то новых тяжелых стабильных частиц (частиц темной материи), которые не удается родить на коллайдерах, но которые смогла породить Вселенная? А может быть, какие-то тонкие особенности в энергетическом спектре обычных частиц укажут на то, что они получились при распаде неизвестных до сих пор сверхтяжелых частиц?

AMS-02 будет изучать эти вопросы, регистрируя пролет частиц космических лучей сквозь вещество детектора и измеряя их импульс, скорость, энерговыделение, заряд. «Окно» оптимальной чувствительности детектора по энергии частиц — от примерно 1 ГэВ до нескольких ТэВ. Это окно покрывает предсказания многих моделей, а также пересекается с окнами чувствительности детекторов на LHC. Но в отличие от Большого адронного коллайдера, тут в качестве ускорителя выступает сама вселенная, и это может иметь далеко идущие последствия.

Субдетекторы и подсистемы AMS-02 ().

Так же, как и классические наземные (точнее, подземные) детекторы, он содержит сразу несколько отдельных детектирующих систем, измеряющих разные характеристики частиц. Только в отличие от них, AMS-02 не вглядывается «вовнутрь», а «смотрит наружу»; он похож скорее на один сегмент передового современного детектора.

Кратко устройство описано на сайте эксперимента. Тут есть и трековые детекторы , восстанавливающие траекторию, черенковские детекторы, измеряющие скорость частиц, электромагнитные калориметры , измеряющие энергию частиц, и другие системы. Разделять разные заряды будут сразу два разных магнита (это я наврал). Разделять заряды будет постоянный магнит на 0,125 Тесла из неодимового сплава. И вдобавок, у AMS-02 есть нечто, чего нет у подземных детекторов — GPS датчики и система слежения за звездами:)

Строилось это всё 10 лет, стоимость — порядка 1,5 гигадолларов. В коллаборации AMS числятся 56 институтов из 16 стран.

Главное, чтоб сейчас эта штука удачно улетела. Завтра вечером будем следить за запуском!

Первая статья из обещанного цикла про то, чем я занимаюсь. В отличии от статей на историческую тематику, источников здесь проставлять не буду. Очень сомневаюсь, что кто-то захочет проверять мои слова по специальной литературе, в особенности, англоязычной.

Claus Grupen. Particle Detectors (Переведен на русский, гуглите; наш основной учебник)

К.Н. Мухин «Экспериментальная ядерная физика» (В чем-то устарел, но написано хорошо)

При написании этого цикла статей, исхожу из того, что читатель знает физику в объеме несколько большем, чем школьная программа. Например, институтский курс механики. Я честно старался сделать его максимально популярным, но кое-что знать все же надо.

Какие частицы регистрируются в детекторах

Здесь должны были быть несколько вводных слов про то, что все вещества состоят из атомов, а где-то в этих атомах скрываются элементарные частицы, и они такие маленькие, что, чтобы вытащить их оттуда, нужно строить большие установки. Таких слов здесь не будет, потому что это более-менее общеизвестная информация, которую учат в школе. Разных элементарных частиц очень много, они бывают составные и простые, то есть, фундаментальные.
Возможно, читатель в курсе, что такое кварки, лептоны и фундаментальные бозоны. Если нет, перед чтением можно просветиться . Но не обязательно. Потому что наблюдать в детекторах мы можем только те частицы, которые успевают долететь до них за время жизни. Из фундаментальных это: электрон, мюон, фотон, нейтрино . Гравитоны, по идее, тоже долетают, но поиск гравитационных волн - отдельная песня и не по нашей части. Можно наблюдать также составные частицы, сложенные из нескольких кварков. В приведенной таблице, составные частицы можно найти в разделах "мезоны" и "барионы". Мезон - связанное состояние двух кварков, барион - трех. Сюда не включены короткоживущие частицы, назвываемые резонансами: полное их перечисление заняло бы слишком много места.

Частицы, которые мы регистрируем в детекторах, могут иметь очень разные скорости, но, ясное дело, не больше скорости света. Двигаясь с околосветовой скоростью, частица может пролететь расстояние порядка 10^8 метров за секунду. Или, наоборот, несколько метров за 10^-8 секунд. Частица, время жизни которой составляет 10^-10 секунд, родившаяся в ускорителе, в точке взаимодействия пучков, не успеет пролететь те метры, которые отделяют ее от детектора, даже с учетом релятивистского замедления времени. Поэтому, из всех адронов практический интерес представляет только регистрация протонов, пионов (заряженных), каонов и нейтронов . Остальную картину событий следует восстанавливать уже по ним.

Калориметрия

Хотя первое, что вы слышали о физике элементарных частиц, скорее всего, связано с LHC, экспериментами с протонными пучками высоких энергий эта физика отнюдь не исчерпывается. Еще есть эксперименты с пучками электронов, есть нейтринные обсерватории. Но наиболее впечатляющая картинка - это как раз столкновение протонных пучков. В каждом пучке дофига (точное число зависит от установки) протонов, в каждом протоне три кварка, при столкновении они оказываются очень близко и мы можем видеть такую картину.

Ну, то есть, это реконструкция события. Каждая линия - это трек, траектория, по которой что-то двигалось. Распутать этот клубок - задача отдельная, но для начала его нужно хотя-бы просто видеть. Ведь, конечно же, никакой микроскоп не поможет человеческому глазу различить частицу размером 10^-13 метра, летящую с околосветовой скоростью. Но попадание такой частицы в свинцовую пластину, или хотя-бы просто слой воздуха при атмосферном давлении, вызывает последствия, которые мы уже можем наблюдать.

Попадая в слой вещества, частица будет отдавать энергию в результате различных процессов. Можно измерить энергию частицы, уловив ее достаточно толстым слоем. Детекторы, в которых это происходит, называются калориметрами. По специализации калориметры делятся на электромагнитные и адронные, по устройству - на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный калориметр - просто слой вещества. Гетерогенный (сэмплинг-калориметр) состоит из нескольких слоев, среди которых есть поглощающие и регистрирующие. Калориметр может использовать не только твердое тело, но и жидкость, и даже газ. То есть, слой может вообще не быть пластиной. Давайте разберемся, что происходит в калориметре.

Потери на ионизацию

Самый простой процесс, касающийся всех заряженных частиц, - ионизация. При ионизации, налетающая частица передает электрону атома вещества часть своей энергии, достаточную, чтобы он тоже покинул атом. Получатся уже две частицы, каждая из которых, в свою очередь, может вызвать ионизацию. При этом, максимальная энергия, которую можно передать электрону в атоме, ограничена законами сохранения.

Речь идет только о кинетической энергии, ведь электрон в атоме уже существует, и на его рождение энергия не расходуется. Здесь E - полная энергия налетающей частицы, р - ее импульс, m - масса. Остальное - бета- и гамма- факторы налетающей частицы, масса электрона и скорость света. Таким образом, энергия, которую электрону может передать налетающая частица, тем меньше, чем меньше ее масса. При этом, чем больше энергия, тем меньше разница, и в ультрарелятивистском случае электрону можно передать всю энергию. Особую роль играют налетающие электроны, для которых формула упрощается, переходя в классическую формулу для центрального столкновения частиц равной масы. Максимальная передаваемая кинетическая энергия входит в приближенную формулу Бете-Блоха, которой описываются потери частиц на ионизацию.


К составлена из констант. Икс обозначает длину, домноженную на плотность. Z и А - это зарядовое и атомное числа, I - средняя энергия ионизации. Эти параметры характеризуют конкретное вещество. Зависимость от энергии налетающей частицы задается неявно бета- и гамма- факторами. Бета-фактор - это скорость частицы в единицах скорости света. Гамма-фактор - он же лоренц-фактор - известный множитель из релятивистской кинематики. При росте энергии частицы, бета-фактор стремится к единице, а гамма-фактор - к бесконечности. В области, где бета-фактор существенно отличается от единицы, гамма-фактор мал. Пока скорость далека от световой, обратная пропорциональность квадрату скорости определяет поведение функции потерь энергии. Это можно понимать так, что быстрая частица проводит меньше времени в кулоновском поле ядра, и ее сложнее захватить. Когда скорость приближается к световой, бета-фактор почти не меняется, а гамма-фактор быстро растет, и определяющим становится логарифмический член. То есть, возрастание сечения взаимодействия для более энергичных частиц. Получается как-то так.

На этой картинке можно видеть, что дает формула Бете-Блоха для различных веществ и частиц. Действительно, если параметры вещества входят в разных местах, то масса частицы - только в одном. Поэтому ось, по которой отложено произведение бета- и гамма- факторов, то есть, приведенный импульс, можно просто сдвигать. При этом, чем тяжелее частица, тем сильнее придется ее сдвинуть, а шкала логарифмическая. То есть, с ростом энергии, минимум ионизации для мюонов наступает гораздо быстрее, чем для электронов. Для протонов, вроде бы, не быстрее. Только вот протон сам по себе в две тысячи раз тяжелее электрона и почти в десять раз тяжелее мюона, так что в абсолютных величинах импульса шкала будет сдвинута так же, как и с мюоном или пионом.

Тормозное излучение

Потери на ионизацию доминируют для частиц низкой энергии. Это упругие взаимодействия, в результате которых никаких новых частиц не рождается. Однако, взаимодействие быстрой заряженной частицы с кулоновским полем ядра может порождать фотоны. Процесс называется тормозным излучением. Фотон уносит энергию и сам может взаимодействовать с веществом. Потери энергии на тормозное излучение задаются выражением:

Z, A - то же, что и выше; z,m, Е - заряд, масса и энергия налетающей частицы. Потери на тормозное излучение линейно зависят от Е, в силу чего, доминируют при высоких энергиях. Но численно они обратно пропорциональны квадрату массы налетающей частицы. Вспомним еще раз, что мюон и пион на два порядка тяжелее электрона, а протон - на три. Что дает, соответственно, четыре и шесть порядков разницы. Поэтому как ионизация, так и тормозное излучнение, хорошо работают для электрона, который при прохождении через вещество порождает настоящие ливни частиц: фотонов и электронов. Чтобы эффективно детектировать массивные частицы, приходится искать другие способы. Пион и протон участвуют в сильных взаимодействиях, а вот с мюоном такой номер не проходит. Остается увеличить установку во много раз.


Сектор детектора CMS , чтобы оценить масштаб проблемы. Зеленого слоя достаточно, чтобы свою энергию потеряли электроны. Желтого хватит для адронов. Все, что дальше - мюонная система.

Фотоны и электромагнитные ливни

Фотон - квант света. Свет тот же, что видим человеческим глазом, только энергии (и частоты) другие. Фотон таких энергий при попадании в глаз запустит много нехороших процессов. Основные из них:

1. Фотоэлектрический эффект - испускание электронов атомами глаза. Доминирует при низких энергиях.


2. Комптон-эффект - упругое рассеивание фотона на электронах, входящих в состав атомов глаза. Доминирует при средних энергиях.


3. Прямое рождение электрон-позитронных пар в кулоновском поле атома глаза. Доминирует при высоких энергиях.

Результатом этих процессов являются заряженные частицы, способные, как было описано выше, вступить во взаимодействие с веществом, которое также породит фотон. Причем происходит размножение, то есть, если брать фотон достаточно высокой энергии, чтобы доминировали процессы 2 и 3, результатом каждого шага окажется пара частиц. Ведь после единичного акта тормозного излучения тоже имеются электрон/позитрон и фотон, готовые взаимодействовать дальше. А после акта ионизации - два электрона. Получается так называемый электромагнитный ливень.

Принцип таков

Это продолжается вот так

И оставляет вот такие красивые следы

В общем, глаз, засунутый в ускоритель, не только гамма-кванта не увидит, но, скорее всего, больше ничего никогда не увидит. Конкретный фотон взаимодействует только два раза в жизни: при рождении и поглощении. Но выйти из ливня, не породив новых частиц, он может только если его энергии недостаточно даже для фотоэффекта. Тогда фотон поглотится электроном атома, переведя его в возбужденное состояние. В простейшей модели ливня, где на каждом следующем шаге получаются две частицы, каждый шаг уменьшает среднюю энергию частицы вдвое. Соответственно, десять шагов уменьшат ее на три порядка. Энергии переходов с одной орбиты на другую - несколько эВ. Энергия первоначального фотона (или электрона) может составлять несколько МэВ и даже ГэВ. То есть, чтобы ливень начал затухать, должно пройти двадцать-тридцать шагов, а в особо запущенных (в смысле, мощную установку запустили) случаях - еще больше.

Характерный размер одного шага задается радиационной длиной - средней длиной на которой электрон теряет (1-1/e) своей энергии на тормозное излучение или 7/9 средней длины свободного пробега фотона между рождениями пар. Радиационная длина измеряется в тех же единицах, что и икс в формулах потерь на ионизацию и тормозное излучение. Чтобы перевести ее в привычные сантиметры, нужно поделить на плотность. Электромагнитный ливень может развиваться на десятки радиационных длин. Радиационная длина, обычно, исчисляется в десятках грамм на сантиметр квадратный. В пересчете на сантиметры, результат может быть очень разным, потому что плотности у веществ разные. Так электромагнитный ливень в атмосфере может развиваться на многих километрах, а толщина пластинки из свинца, достаточной для точной калориметрии МэВ-ных электронов, не превысит нескольких десятков сантиметров.

Естественно, радиационная длина, вычисленная для мюона, протона или пиона, была бы другой из-за разницы в массе. На практике, это означало бы, что тот же свинцовый калориметр толщиной 10 см (около 20-ти рад.длин) пион пролетал бы, не заметив. В то время как электрон неизбежно породил бы ливень, который успел бы развиться и затухнуть. Таким образом, калориметры для тяжелых частиц нужно строить гораздо больше.

Адронные ливни

Протоны и пионы удается поймать за счет того, что они участвуют не только в электромагнитном, но и в сильном взаимодействии. Если электромагнитное взаимодействие происходило в кулоновском поле атома, сильное происходит в поле ядерных сил. Большинство происходящих там процессов неупругие, то есть, исходная частица поглощается, рождая несколько других. Однако, есть и процессы упругого рассеяния.

При этом могут рождаться не только адроны, но также фотоны и электроны, которые породят электромагнитные ливни. Могут вылетать частицы, состоящие из нескольких адронов, например, всем известная альфа-частица, ядро гелия. Примерно одна пятая часть энергии налетающей частицы уходит в "невидимую" энергию ядерных связей, которая не регистрируется в калориметре.


Схема адронного каскада в поглотителе. Видны электромагнитные ливни, порожденные пи0-мезонами

Размер адронного ливеня характеризуется ядерной длиной, которая, для тяжелых атомов, на порядок больше радиационной. Это печально, но альтернатива - четыре-шесть порядков разницы в потерях на тормозное излучение. Поэтому энергия частиц, участвующих в сильном взаимодействии, измеряется таким способом. Точная калориметрия адронов затруднена большими флуктуациями в развитии ливня. Приходится изобретать специальные процедуры взвешивания, чтобы решить эту проблему. Тем не менее, энергетическое разрешение лучших адронных калориметров не превышает 35%, деленных на корень из энергии. Что на порядок хуже типичных значений для электромагнитных калориметров.

«Настоящие» детекторы частиц, например те, что стоят на Большом адронном коллайдере, стоят миллионы долларов и весят сотни тонн, но мы попробуем обойтись значительно более скромным бюджетом.

Нам понадобятся:

• сухой лед (примерно 80 рублей за килограмм, желательно купить пенопластовый термоконтейнер еще за 300 рублей - иначе все, что вы купили, испарится слишком быстро). Очень много сухого льда не нужно, килограмма хватит;
• изопропиловый спирт (стоит 370 рублей за 0,5 литра, продается в магазинах радиотехники);
• кусок фетра (швейный магазин, около 150 рублей);
• клей, чтобы приклеить фетр к дну контейнера («Момент», 150 рублей);
• прозрачный контейнер, например пластмассовый аквариум с крышкой (мы купили пищевой контейнер из твердого пластика за 1,5 тысячи рублей);
• подставка под сухой лед, это может быть фотографическая кювета (нашлась на редакционной кухне);
• фонарик.

Итак, приступаем. Сперва нужно приклеить кусок фетра на дно контейнера и подождать несколько часов, пока клей высохнет. После этого фетр нужно пропитать изопропиловым спиртом (следите, чтобы спирт не попал в глаза!). Желательно, чтобы фетр полностью пропитался спиртом, остаток которого потом надо слить. Затем на дно кюветы нужно высыпать сухой лед, закрыть контейнер крышкой и поставить его в сухой лед крышкой вниз. Теперь нужно подождать, чтобы воздух внутри камеры насытился парами спирта.

Принцип работы камеры Вильсона (она же «туманная камера») состоит в том, что даже очень слабое воздействие заставляет насыщенный пар спирта конденсироваться. В результате даже воздействие космических частиц заставляет пар конденсироваться, и в камере формируются цепочки микроскопических капель - треки.

Посмотреть на эксперимент можно на нашем видео:

Несколько замечаний из опыта: не стоит покупать слишком много сухого льда - он испарится полностью меньше чем за сутки даже их термоконтейнера, а промышленный холодильник найдется у вас навряд ли. Нужно, чтобы крышка прозрачного контейнера была черной, например, можно закрыть его снизу черным стеклом. На черном фоне лучше будут видны треки. Смотреть нужно именно в нижнюю часть контейнера, там образуется характерный туман, похожий на моросящий дождь. В этом тумане и возникают треки частиц.

Какие треки можно увидеть:

Это не космические частицы. Короткие и толстые треки - следы альфа-частиц, испускаемых атомами радиоактивного газа радона, который непрерывно просачивается из недр Земли (и накапливается в непроветриваемых помещениях).

Длинные узкие треки оставляют мюоны - тяжелые (и короткоживущие) родственники электронов. Они рождаются во множестве в верхних слоях атмосферы, когда частицы высоких энергий сталкиваются с атомами и порождают целые ливни частиц, в основном состоящие из мюонов.

Искривленные траектории - признак электронов или их античастиц, позитронов. Они тоже порождаются космическими лучами, сталкиваются с молекулами воздуха и могут двигаться зигзагами.

Если вы увидели раздваивающиеся треки, значит, вам повезло: вы стали свидетелем распада одной частицы на две.

Понравилось? Подпишитесь на N + 1 в

Детектор элементарных частиц , детектор ионизирующего излучения в экспериментальной физике элементарных частиц - устройство, предназначенное для обнаружения и измерения параметров элементарных частиц высокой энергии, таких как космические лучи или частиц, рождающихся при ядерных распадах или в ускорителях .

Основные типы [ | ]

Устаревшие

Детекторы для радиационной защиты

Детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц

• Годоскопические камеры
• Счетчики
• Трековые детекторы
• Масс-анализаторы

Детекторы для экспериментов на встречных пучках [ | ]

В физике элементарных частиц понятие «детектор» относится не только к различного типа датчикам для регистрации частиц, но и к большим установкам, созданным на их основе и включающим в себя также инфраструктуру для поддержания их работоспособности (криогенные системы, системы кондиционирования, электропитания), электронику для считывания и первичной обработки данных, вспомогательные системы (напр. сверхпроводящие соленоиды для создания внутри установки магнитного поля). Как правило, такие установки сейчас создаются большими международными группами.

Поскольку постройка большой установки требует значительных финансовых затрат и человеческих усилий, в большинстве случаев она применяется не для одной определенной задачи, а для целого спектра различных измерений. Основными требованиями, предъявляемыми к современному детектору для экспериментов на ускорителе являются:

Для специфических задач могут потребоваться дополнительные требования, например, для экспериментов, измеряющих CP-нарушение в системе B-мезонов важную роль играет координатное разрешение в области взаимодействия пучков.

Условное изображение многослойного универсального детектора для ускорителя на встречных пучках.

Необходимость выполнения этих условий приводит к типичной на сегодняшний день схеме универсального многослойного детектора. В англоязычной литературе такую схему принято сравнивать с луковицей (onion-like structure). В направлении от центра (области взаимодействия пучков) к периферии типичный детектор для ускорителя на встречных пучках состоит из следующих систем:

Трековая система [ | ]

Трековая система предназначена для регистрации траектории прохождения заряженной частицы: координат области взаимодействия, углов вылета. В большинстве детекторов трековая система помещена в магнитное поле, что приводит к искривлению траекторий движения заряженных частиц и позволяет определить их импульс и знак заряда.

Трековая система обычно выполняется на основе или полупроводниковых кремниевых детекторов.

Система идентификации [ | ]

Система идентификации позволяет отделить друг от друга различные типы заряженных частиц. Принцип работы систем идентификации чаще всего заключается в измерении скорости пролета частицы одним из трех способов:

Совместно с измерением импульса частицы в трековой системе это дает информацию о массе, а, следовательно, и о типе частицы.

Калориметр [ | ]

Список работающих или строящихся детекторов для ускорителей на встречных пучках [ | ]

Прикладное применение [ | ]

Помимо научных экспериментов, детекторы элементарных частиц находят применение и в прикладных задачах - в медицине (рентгеновские аппараты с малой дозой облучения,

Как и в любом физическом эксперименте, при изучении элементарных частиц требуется сначала поставить эксперимент, а потом зарегистрировать его результаты. Постановкой эксперимента (столкновением частиц) занимается ускоритель, а результаты столкновений изучаются с помощью детекторов элементарных частиц .

Для того чтобы восстановить картину столкновения, требуется не просто узнать, какие частицы родились, но и с большой точностью измерить их характеристики, прежде всего траекторию, импульс и энергию. Всё это измеряется с помощью разных типов детекторов, которые концентрическими слоями окружают место столкновения частиц.

Детекторы элементарных частиц можно разбить на две группы: трековые детекторы , которые измеряют траекторию частиц, и калориметры , которые измеряют их энергии. Трековые детекторы стараются проследить за движением частиц, не внося при этом никаких искажений. Калориметры, наоборот, должны полностью поглотить частицу, чтобы измерить ее энергию. В результате возникает стандартная компоновка современного детектора: внутри расположено несколько слоев трековых детекторов, а снаружи - несколько слоев калориметров, а также специальные мюонные детекторы . Общий вид типичного современного детектора показан на рис. 1.

Ниже кратко описаны строение и принцип работы основных компонентов современных детекторов. Акцент сделан на некоторых, самых общих принципах детектирования. Устройство конкретных детекторов, работающих на Большом адронном коллайдере, см. на странице Детекторы на LHC .

Трековые детекторы

Трековые детекторы восстанавливают траекторию частицы. Они обычно расположены в области магнитного поля, и тогда по искривлению траектории частицы можно определить ее импульс.

Работа трековых детекторов основана на том, что пролетающая заряженная частица создает ионизационный след - то есть она выбивает электроны из атомов на пути своего движения. При этом интенсивность ионизации зависит как от типа частицы, так и от материала детектора. Свободные электроны собираются электроникой, сигнал с которой сообщает о координатах частиц.

Вершинный детектор

Вершинный (микровершинный, пиксельный) детектор - это многослойный полупроводниковый детектор, состоящий из отдельных тонких пластинок с нанесенной прямо на них электроникой. Это самый внутренний слой детекторов: начинается он обычно сразу за пределами вакуумной трубы (иногда первый слой монтируется прямо на внешней стенке вакуумной трубы) и занимает в радиальном направлении первые несколько сантиметров. В качестве полупроводникового материала обычно выбирается кремний из-за его высокой радиационной стойкости (внутренние слои детектора подвержены огромным дозам жесткой радиации).

По сути, вершинный детектор работает так же, как матрица цифрового фотоаппарата. Когда заряженная частица пролетает сквозь эту пластинку, она оставляет в ней след - облачко ионизации размером в несколько десятков микрон. Эта ионизация считывается электронным элементом непосредственно под пикселем. Узнав координаты точек пересечения частицы с несколькими идущими подряд пластинками пиксельного детектора, можно восстановить трехмерные траектории частиц и проследить их назад, внутрь трубы. Через пересечение таких восстановленных траекторий в какой-то точке в пространстве восстанавливается вершина - та точка, в которой эти частицы родились.

Иногда оказывается, что таких вершин несколько, причем одна из них обычно лежит прямо на оси столкновения встречных пучков (первичная вершина), а вторая - поодаль. Это обычно означает, что в первичной вершине столкнулись протоны и сразу породили несколько частиц, но некоторые из них успели пролететь какую-то дистанцию, прежде чем распасться на дочерние частицы.

В современных детекторах точность восстановления вершины достигает 10 микрон. Это позволяет надежно регистрировать случаи, когда вторичные вершины отстоят от оси столкновений на 100 микрон. Как раз на такие дистанции отлетают разнообразные метастабильные адроны, имеющие в своем составе c- или b-кварк (так называемые «очарованные» и «прелестные» адроны). Поэтому вершинный детектор является важнейшим инструментом детектора LHCb , главной задачей которого как раз будет изучение этих адронов.

По похожему принципу работают и полупроводниковые микрополосковые детекторы , в которых вместо маленьких пикселей используются тончайшие, но довольно длинные полоски чувствительного материала. В них ионизация не оседает тут же, а смещается вдоль полоски и считывается на ее конце. Полоски конструируются с таким расчетом, чтобы скорость смещения облачка заряда по ней была постоянной и чтобы оно не расплывалось. Поэтому, зная момент прихода заряда на считывающий элемент, можно вычислить координаты той точки, где заряженная частица пронзила полоску. Пространственное разрешение у микрополосковых детекторов хуже, чем у пиксельных, но ими зато можно покрыть намного бо льшую площадь, поскольку они не требуют столь большого числа считывающих элементов.

Дрейфовые камеры

Дрейфовые камеры - это газонаполненные камеры, которые ставятся снаружи полупроводниковых трековых детекторов, там, где уровень радиации относительно низкий и не требуется столь большая точность определения координат, как у полупроводниковых детекторов.

Классическая дрейфовая камера - это заполненная газом трубка, внутри которой натянуто много тончайших проволочек. Работает она наподобие вершинного детектора, но только не на плоской пластинке, а в объеме. Все проволочки находятся под напряжением, а их расположение выбрано таким образом, чтобы в пространстве между двумя массивами проволочек возникало однородное электрическое поле. Когда заряженная частица пролетает сквозь газовую камеру, она оставляет пространственный ионизационный след. Под действием электрического поля ионизация (прежде всего, электроны) движется с постоянной скоростью (физики говорят «дрейфует») вдоль линий поля по направлению к проволочкам-анодам. Достигнув края камеры, ионизация тут же поглощается электроникой, которая передает на выход сигнальный импульс. Поскольку считывающих элементов очень много, по сигналам с них можно с хорошей точностью восстановить координаты пролетевшей частицы, а значит, и траекторию.

Обычно количество ионизации, которое создает в газовой камере пролетающая частица, невелико. Для того чтобы увеличить надежность сбора и регистрации заряда и уменьшить погрешность его измерения, требуется усилить сигнал еще до регистрации его электроникой. Делается это с помощью специальной сети анодных и катодных проволочек, натянутых вблизи считывающей аппаратуры. Проходя вблизи анодной проволочки, облачко электронов порождает на ней лавину, в результате которой электронный сигнал многократно усиливается.

Чем сильнее магнитное поле и чем больше размеры самого детектора, тем сильнее траектория частицы отклоняется от прямой, а значит, тем надежнее можно измерить ее радиус кривизны и восстановить отсюда импульс частицы. Поэтому для изучения реакций с частицами очень высоких энергий, в сотни ГэВ и ТэВы, желательно построить детекторы побольше и использовать магнитные поля посильнее. По чисто инженерным причинам обычно удается увеличить только одну из этих величин в ущерб другой. Два крупнейших детектора на LHC - ATLAS и CMS - как раз отличаются тем, какая из этих величин оптимизирована. У детектора ATLAS побольше размеры, но поменьше поле, в то время как в детекторе CMS сильнее поле, но в целом он более компактен.

Время-проекционная камера

Особый тип дрейфовой камеры - это так называемая время-проекционная камера (ВПК). По сути дела, ВПК - это одна большая, размером в несколько метров, цилиндрическая дрейфовая ячейка. Во всём ее объеме создано однородное электрическое поле вдоль оси цилиндра. Весь закрученный ионизационный след, который оставляют частицы при пролете сквозь эту камеру, равномерно дрейфует к торцам цилиндра, сохраняя свою пространственную форму. Траектории как бы «проецируются» на торцы камеры, где большой массив из считывающих элементов регистрирует приход заряда. Радиальная и угловая координаты определяются по номеру датчика, а координата вдоль оси цилиндра - по времени прихода сигнала. Благодаря этому удается восстановить трехмерную картину движения частиц.

Среди работающих на LHC экспериментов время-проекционную камеру использует детектор ALICE .

Детекторы Roman Pots

Существует особый тип полупроводниковых пиксельных детекторов, которые работают прямо внутри вакуумной трубы , в непосредственной близости к пучку. Впервые их предложила в 1970-е годы исследовательская группа из Рима, и за ними с тех пор закрепилось название Roman Pots («римские горшочки»).

Детекторы Roman Pots были разработаны для детектирования частиц, отклонившихся в процессе столкновения на очень малые углы. Обычные детекторы, располагающиеся снаружи вакуумной трубы, здесь непригодны просто потому, что частица, испущенная под очень малым углом, может многие километры лететь внутри вакуумной трубы, поворачивая вместе с основным пучком и не выходя наружу. Для того чтобы зарегистрировать такие частицы, приходится ставить маленькие детекторы внутри вакуумной трубы поперек оси пучка, но не задевая при этом сам пучок.

Для этого на определенном участке ускорительного кольца, обычно на расстоянии сотни метров от места столкновения встречных пучков, вставляется специальный участок вакуумной трубы с поперечными «рукавами». В них на подвижных платформах размещены небольшие, размером несколько сантиметров, пиксельные детекторы. Когда пучок только впрыснут, он еще нестабилен и имеет большие поперечные колебания. Детекторы в это время прячутся внутри рукавов для того, чтобы избежать повреждений при прямом попадании пучка. После того как пучок стабилизируется, платформы выдвигаются из своих рукавов и пододвигают чувствительные матрицы детекторов Roman Pots в непосредственную близость к пучку, на расстояние 1-2 миллиметра. В конце очередного цикла ускорителя, перед сбросом старого пучка и инжекцией нового, детекторы вновь втягиваются в свои рукава и ждут очередного сеанса работы.

Пиксельные детекторы, используемые в Roman Pots, отличаются от обычных вершинных детекторов тем, что в них максимизирована доля поверхности пластины, занятая чувствительными элементами. В частности, на той кромке пластины, которая ближе всего подносится к пучку, практически отсутствует нечувствительная «мертвая» зона (“edgeless” -технология).

Один из экспериментов на Большом адронном коллайдере, TOTEM , как раз будет использовать несколько таких детекторов. Еще несколько подобных проектов находятся в разработке. Вершинный детектор эксперимента LHCb тоже несет в себе некоторые элементы этой технологии.

Подробнее про эти детекторы можно прочитать в статье Roman pots for the LHC из журнала CERN Courier или в технической документации эксперимента TOTEM .

Калориметры

Калориметры измеряют энергию элементарных частиц. Для этого на пути частиц ставят толстый слой плотного вещества (обычно тяжелого металла - свинца, железа, латуни). Частица в нём сталкивается с электронами или ядрами атомов и порождает в результате поток вторичных частиц - ливень . Энергия исходной частицы распределяется между всеми частицами ливня, так что энергия каждой отдельной частицы в этом ливне становится небольшой. В результате ливень застревает в толще вещества, его частицы поглощаются и аннигилируют, и некоторая, вполне определенная, доля энергии выделяется в виде света. Эта вспышка света собирается на торцах калориметра фотоумножителями, которые превращают ее в электрический импульс. Кроме того, энергию ливня можно измерить, собирая ионизацию чувствительными пластинками.

Электроны и фотоны, проходя через вещество, сталкиваются в основном с электронными оболочками атомов и порождают электромагнитный ливень - поток из большого числа электронов, позитронов и фотонов. Такие ливни быстро развиваются на небольшой глубине и обычно поглощаются в слое вещества толщиной несколько десятков сантиметров. Высокоэнергетические адроны (протоны, нейтроны, пи-мезоны и К-мезоны) теряют энергию преимущественно за счет столкновений с ядрами. При этом порождается адронный ливень, который проникает гораздо глубже в толщу вещества, чем электромагнитный, и к тому же он более широкий. Поэтому для того, чтобы полностью поглотить адронный ливень от частицы очень высокой энергии, требуется один-два метра вещества.

Различие характеристик электромагнитный и адронных ливней максимально используется в современных детекторах. Калориметры часто делают двухслойными: внутри расположены электромагнитные калориметры , в которых поглощаются преимущественно электромагнитные ливни, а снаружи - адронные калориметры , до которых «достают» только адронные ливни. Таким образом, калориметры не только измеряют энергию, но и определяют «тип энергии» - является ли она электромагнитного или адронного происхождения. Это очень важно для правильного понимания произошедшего в центре детектора столкновения протонов.

Для регистрации ливня оптическим способом вещество калориметра должно обладать сцинтилляционными свойствами. В сцинтилляторе фотоны одной длины волны поглощаются очень эффективно, приводя к возбуждению молекул вещества, и это возбуждение снимается за счет испускания фотонов более низкой энергии. Для излученных фотонов сцинтиллятор уже прозрачен, и поэтому они могут долететь до края калориметрической ячейки. В калориметрах используются стандартные, давно изученные сцинтилляторы, для которых хорошо известно, какая часть от энергии исходной частицы превращается в оптическую вспышку.

Для эффективного поглощения ливней требуется использовать как можно более плотное вещество. Имеется два способа, как совместить это требование с требованиями к сцинтилляторам. Во-первых, можно выбрать очень тяжелые сцинтилляторы и заполнить ими калориметр. Во-вторых, можно сделать «слойку» из чередующихся пластин тяжелого вещества и легкого сцинтиллятора. Имеются и более экзотические варианты устройства калориметров, например «спагетти"-калориметры, в которых в матрицу из массивного поглотителя внедрено множество тонких кварцевых оптоволокон. Ливень, развиваясь вдоль такого калориметра, создает в кварце черенковский свет, который выводится по оптоволокнам на торец калориметра.

Точность восстановления энергии частицы в калориметре улучшается с ростом энергии. Для частиц с энергиями в сотни ГэВ погрешность составляет порядка процента для электромагнитных калориметров и несколько процентов - для адронных.

Мюонные камеры

Характерная особенность мюонов заключается в том, что они очень медленно теряют энергию при движении сквозь вещество. Так происходит из-за того, что они, с одной стороны, очень тяжелые, поэтому не могут эффективно передавать энергию электронам при столкновении, а во-вторых, они не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому они слабо рассеиваются на ядрах. В результате мюоны могут пролететь до момента своей остановки многие метры вещества, проникнув туда, куда не долетают никакие другие частицы.

Это, с одной стороны, делает невозможным измерение энергии мюонов с помощью калориметров (ведь полностью мюон поглотить не удастся), но с другой стороны, позволяет хорошо отличать мюоны от других частиц. В современных детекторах мюонные камеры расположены в самых внешних слоях детектора, часто даже снаружи массивного металлического ярма, создающего магнитное поле в детекторе. Такие трубки измеряют не энергию, а импульс мюонов, и при этом можно с хорошей достоверностью считать, что эти частицы - именно мюоны, а не что-либо еще. Имеется несколько разновидностей мюонных камер, используемых для разных целей.

Идентификация частиц

Отдельный вопрос - это идентификация частиц , то есть выяснение того, что за частица пролетела сквозь детектор. Это не составило бы труда, знай мы массу частицы, но как раз ее мы обычно и не знаем. С одной стороны, массу в принципе можно вычислить по формулам релятивистской кинематики, зная энергию и импульс частицы, но, к сожалению, погрешности в их измерении обычно столь велики, что не позволяют отличить, например, пи-мезон от мюона из-за близости их масс.

В этой ситуации имеется четыре основных метода идентификации частиц:

• По отклику в разных типах калориметрах и в мюонных трубках.
• По энерговыделению в трековых детекторах. Разные частицы производят разное количество ионизации на сантиметр пути, и ее можно измерить по силе сигнала с трековых детекторов.
• С помощью черенковских счетчиков . Если частица летит сквозь прозрачный материал с коэффициентом преломления n со скоростью больше, чем скорость света в этом материале (то есть больше, чем c/n ), то она испускает черенковское излучение в строго определенных направлениях. Если в качестве вещества детектора взять аэрогель (типичный показатель преломления n = 1,03), то черенковское излучение от частиц, движущихся со скоростью 0,99·c и 0,995·c , будет существенно различаться.
• С помощью времяпролетных камер . В них с помощью детекторов с очень высоким временным разрешением измеряется время пролета частицей определенного участка камеры и из этого вычисляется ее скорость.

У каждого из этих методов есть свои сложности и погрешности, поэтому идентификация частиц обычно не бывает гарантированно правильной. Иногда программа обработки «сырых» данных с детектора может прийти к выводу, что в детекторе пролетел мюон, хотя на самом деле это был пион. Полностью избавиться от таких погрешностей невозможно. Остается лишь тщательно изучать детектор перед работой (например, с помощью космических мюонов), выяснить процент случаев неверной идентификации частиц и уже в дальнейшем при обработке реальных данных всегда его принимать в расчет.

Требования к детекторам

Современные детекторы элементарных частиц иногда называют «большими братьями» цифровых фотоаппаратов. Однако стоит помнить, что условия эксплуатации фотоаппарата и детектора кардинально различаются.

Прежде всего, все элементы детектора должны быть очень быстрыми и очень точно синхронизованными друг с другом. На Большом адронном коллайдере в пике производительности сгустки будут сталкиваться 40 миллионов раз в секунду. В каждом столкновении будет происходить рождение частиц, которые оставят свою «картинку» в детекторе, и детектор должен не «захлебнуться» этим потоком «снимков». В результате за 25 наносекунд требуется собрать всю ионизацию, которую оставили пролетевшие частицы, превратить ее в электрические сигналы, а также очистить детектор, подготовив его к очередной порции частиц. За 25 наносекунд частицы пролетают всего 7,5 метров, что сопоставимо с размерами крупных детекторов. Пока во внешних слоях детектора собирается ионизация от пролетевших частиц, сквозь его внутренние слои уже летят частицы из следующего столкновения!

Второе ключевое требование к детектору - радиационная стойкость . Элементарных частицы, разлетающиеся от места столкновения сгустков, - это самая настоящая радиация, причем очень жесткая. Например, ожидаемая поглощенная доза ионизирующей радиации, которую получит вершинный детектор за время работы, составляет 300 килогрей плюс суммарный нейтронный поток 5·10 14 нейтронов на см 2 . В этих условиях детектор должен работать годами и при этом оставаться исправным. Это касается не только материалов самого детектора, но и электроники, которой он напичкан. На создание и тестирование отказоустойчивой электроники, которая будет работать в столь радиационно жестких условиях, ушло несколько лет.

Еще одно требование к электронике - низкое энерговыделение . Внутри многометровых детекторов нет свободного места - каждый кубический сантиметр объема заполнен полезной аппаратурой. Система охлаждения неизбежно отбирает рабочий объем детектора - ведь если частица пролетит прямо сквозь охлаждающую трубу, она просто не будет зарегистрирована. Поэтому энерговыделение от электроники (а это сотни тысяч отдельных плат и проводов, снимающих информацию со всех компонентов детектора) должно быть минимальным.

Дополнительная литература:

• К. Групен. «Детекторы элементарных частиц» // Сибирский Хронограф, Новосибирск, 1999.
• Particle Detectors (PDF, 1,8 Мб).
• Детекторы частиц // глава из учебного пособия Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин. «Частицы и ядра. Эксперимент». М.: Издательство МГУ, 2005.
• Н. М. Никитюк. Прецизионные микровершинные детекторы (PDF, 2,9 Мб) // ЭЧАЯ, т. 28, вып. 1, стр.191–242 (1997).