Методы регистрации элементарных частиц. Законы сохранения в мире частиц

Лекция 5

Регистрация элементарных частиц в физическом эксперименте, как правило, производится с использованием косвенных методов, основанных на измерении параметров среды, изменяющихся в результате распространения в среде частицы. Известны следующие типы детекторов элементарных частиц:

КАМЕРА ВИЛЬСОНА.

Успехи в конструировании счет­чиков заряженных частиц поставили перед учеными такую задачу: попытаться каким-либо способом «увидеть» частицы, составляющие атом, несмотря на то, что они в миллиарды раз меньше самых маленьких тел, которые можно разгля­деть в самые мощные оптические микроскопы?

Это несколько неожиданное обстоятельство связано с вопро­сами: почему и каким образом на ясном небе собираются об­лака и тучи, почему выпадает дождь?

В воздухе, каким бы он ни был сухим и прозрачным, всег­да содержится некоторое количество влаги, непрерывно испа­ряемой морями, озерами, реками, растениями и почвой. Эти водяные нары не заметны, так как отдельные молекулы пара распределены в воздухе равномерно и не изменяют его одно­родности, как не видны растворенные в воде молекулы соли.
Однако если атмосферное давление по каким-либо причи­нам понижается, то содержащийся в воздухе пар становится пересыщенным. Вот тогда отдельные молекулы влаги соеди­няются сначала в мелкие капельки, образующие «пар» и облака, а затем в более крупные капли, которые выпадают в виде дождя.

Но влага может собираться в капли только в том случае, если в воздухе содержатся в достаточном количестве мелкие пылинки, особенно если они несут электрические заряды. Они-то и являются центрами конденсации влаги.

Иначе молекулы пара не могут соединяться в капли даже при большом избытке влаги в атмосфере.

Рис. 1. Камера Вильсона (1912 г.) и фотография треков

Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона.

В 1912 г. английский физик Чарльз Вильсон, много ра­ботавший до этого над вопросами происхождения дождей и туманов, предложил очень остроумный и удивительно простой способ «видеть» заряженные частицы.

За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г. присуждена Нобелевская премия.

Для этого лишь необ­ходимо в наполненной перенасыщенным паром камере вы­звать нечто вроде искусственного тумана. Пролетающие сквозь камеру заряженные частицы ионизируют молекулы пара, и образующиеся в результате этого ионы служат цен­трами конденсации водяного пара. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10^-3-10^{-4 см).}

Из капелек жидкости получаются цепочки (треки).

Камера состоит из стеклянного цилиндра с подвижным поршнем, заменяющим дно, и заполнена парами испаряю­щейся жидкости.

Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных).

Если очень быстро опус­тить поршень, то давление, а следовательно, и темпера­тура пара в камере резко понизятся, вследствие чего в ней об­разуется избыток влаги, т. е. переохлажденный и перенасы­щенный пар.

Так как впускаемые внутрь камеры пары тща­тельно очищены от пыли и других взвешенных частиц, то молекулам влаги не на чем собираться и никакого тумана внутри камеры не появится.

Рис. 2. К принципу работы камеры Вильсона

Однако если в этот критический момент сквозь камеру пролетит какая-либо заряженная частица, даже очень быст­рая, то на своем пути она, как обычно, будет непрерывно разбивать молекулу пара на ионы, т. е. порождать заряженные частицы, которые тут же станут центрами конденсации пара.

След частицы мгновенно покроется великим множеством капелек влаги, мгновенно осевших на ионах, и станут вид­ны более или менее четкие и тонкие линии треков, распад которых на отдельные капельки можно заметить только под сильным микроскопом.

Особенно хорошо эти следы видны, если их сильно осветить, а внутри камеру и поршень покрыть черной матовой краской.

Если одновременно опу­стить поршень и осветить камеру яркой вспышкой света, сле­ды пролетевших частиц можно легко фотографировать.

Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд.

После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность.

Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.

Камера Вильсона позволяет не только видеть следы пролетаю­щих частиц, но и определять некоторые качественные харак­теристики этих частиц.

Например, по толщине и чистоте сле­да можно узнать, медленно или быстро летит заряженная частица: чем медленнее она летит, тем больше молекул газа она успевает ионизировать на каждом сантиметре своего пути.

Измеряя ширину или плотность следов, можно доволь­но точно определить и скорость исследуемых неизвестных частиц.

По числу капелек в следе, если он кончается в пре­делах камеры, можно найти полное число пар ионов, образо­ванных пролетевшей исследуемой заряженной частицей.

А зная энергию, необходимую для образования одной пары ионов, можно вычислить и полную энергию, которую имела частица в момент ее появления в камере.

Позднее камера Вильсона была значительно усовершен­ствована.

Особенно ценный вклад в ее конструкцию внесли советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын, пред­ложившие в 1927 г. помещать камеру в сильное магнитное поле. Взаимодействуя с заряженными частицами, магнитное поле заставляет их искривлять свой путь, благодаря чему можно:

во-первых, определить заряд частицы — положитель­но или отрицательно она заряжена,

во-вторых, еще одним способом определить энергию частицы, так как чем быстрее она движется или чем больше ее масса, тем меньше изгибает­ся ее путь в магнитном поле.

И наконец, что самое главное, можно исследовать все явления, наблюдаемые при столкно­вении этих частиц с атомами паров, заполняющих камеру, или атомами мишеней из различных веществ, устанавливае­мых на пути движения частиц.

В этих случаях можно изучать поведение даже частиц, не несущих электрического заряда, — по следам разлетающихся в результате таких столкновений заряженных частиц.

Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона.

Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий.

Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает.

“Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.

ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА — прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.

Первые треки, обнаруженные в пузырьковой камере

ИСТОРИЯ Пузырьковая камера была изобретена Дональдом Глейзером (США) в 1952 году.

Диэтиловый эфир (в нормальных условиях кипящий при темп-ре Т = 34,6 °С), нагретый под давлением 20 атм до +130 °С, расширяли до 1 атм.

При этом он не кипел часами. После доведения темп-ры до 140 °С он закипал через произвольные промежутки времени.

Глейзер установил, что частота закипания соответствует частоте прохождения космич. частиц на уровне моря. Он повторил эксперимент, расположив над и под колбой с эфиром счётчики Гейгера. Вскипание было мгновенным в присутствии радиоакт. источника. Скоростная киносъёмка установила, что закипание начинается вдоль траектории заряж. частицы. За своё открытие Глейзер получил Нобелевскую премию в 1960 году. Луис Уолтер Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру Глейзера, использовав в качестве перегретой жидкости водород.

А также для анализа сотен тысяч фотографий, получаемых при исследованиях с помощью пузырьковой камеры, Альварес впервые применил компьютерную программу, позволявшую анализировать данные с очень большой скоростью.

Пузырьковая камера позволила зафиксировать поведение многих ионизирующих частиц, не поддававшихся ранее наблюдению, и получить о них в тысячи раз большую информацию. До этого около 40 лет была известна Камера Вильсона.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. Если в данном состоянии в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована.

РАБОЧАЯ ЖИДКОСТЬ В качестве рабочей жидкости наиболее часто применяют жидкие водород и дейтерий (криогенные пузырьковые камеры), а также пропан, различные фреоны, ксенон, смесь ксенона с пропаном (тяжеложидкостные пузырьковые камеры).

СОЗДАНИЕ ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ Перегрев жидкости достигается за счет быстрого понижения давления до значения, при котором температуры кипения жидкости оказывается ниже её текущей температуры. Понижение давления осуществляется за время ~ 5—15 мсек перемещением поршня (в жидководородных камерах) либо сбросом внешнего давления из объёма, ограниченного гибкой мембраной (в тяжеложидкостных камерах).

ПРОЦЕСС ИЗМЕРЕНИЯ Частицы впускаются в камеру в момент её максимальной чувствительности. Спустя некоторое время, необходимое для достижения пузырьками достаточно больших размеров, камера освещается и следы фотографируются (стереофотосъёмка с помощью 2—4 объективов). После фотографирования давление поднимается до прежней величины, пузырьки исчезают, и камера снова оказывается готовой к действию. Весь цикл работы составляет величину менее 1 сек, время чувствительности ~ 10—40 мсек. Пузырьковые камеры (кроме ксеноновых) размещаются в сильных магнитных полях. Это позволяет определить импульсы заряженных частиц по измерению радиусов кривизны их траекторий.

ПРИМЕНЕНИЕ Пузырьковые камеры, как правило, используются для регистрации актов взаимодействия частиц высоких энергий с ядрами рабочей жидкости или актов распада частиц. В первом случае рабочая жидкость исполняет роли и регистрирующей среды, и среды-мишени.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ: Эффективность регистрации пузырьковой камеры различных процессов взаимодействия или распада определяется в основном её размерами.

Наиболее типичный объём — сотни литров, но существуют камеры гораздо большего размера, например водородная камера «Мирабель» на ускорителе Института физики высоких энергий РАН имеет объём 10 м³; водородная камера на ускорителе Национальной ускорительной лаборатории США — объём 25 м³, большая Европейская П. к. (ЦЕРН) более 30 м³, П. к. FNAL (Батавия, США) св. 40 м³. Большинство П. к. имеют объём ~ 1 м³

Основное преимущество пузырьковой камеры — изотропная пространственная чувствительность к регистрации частиц и высокая точность измерения их импульсов.

Недостаток пузырьковой камеры — слабая управляемость, необходимая для отбора нужных актов взаимодействия частиц или их распада.

В настоящее время пузырьковые камеры и камеры Вильсона практически не используются.

Калориметры — приборы для измерения энергии частиц; большинство частиц, попадающих в калориметр, при взаимодействии с его веществом инициируют возникновение вторичных частиц, передавая им часть своей энергии.

Вторичные частицы образуют ливень, который поглощается в объёме калориметра и его энергия измеряется тем или иным способом.

Энергия может быть измерена полностью (это требует полного поглощения частиц ливня в чувствительном объёме калориметра), или частично, с последующим пересчётом поглощённой энергии в полную энергию первичной частицы.

Проектирование калориметров — активная область исследований в физике элементарных частиц.

По типу детектируемых частиц калориметры делятся на два класса:

Электромагнитные калориметры спроектированы для измерения энергии частиц, которые взаимодействуют с веществом главным образом посредством электромагнитного взаимодействия (фотоны, заряженные лептоны).

Адронные калориметры измеряют энергию частиц, взаимодействущих в основном посредством сильного взаимодействия (адроны).

По геометрии калоримеры разделяются на гомогенные и гетерогенные (самплинг-калориметры).

Адронные калориметры почти всегда являются гетерогенными, так как очень трудно создать детектор частиц (сцинтиллятор, полупроводниковый детектор и т. д.) таких размеров, чтобы обеспечить в нём полное развитие и поглощение адронного ливня.

Гетерогенный детектор состоит из чередующихся слоёв поглощающего и детектирующего материалов (сэндвич-геометрия). Поглощающим материалом служат тяжёлые элементы (медь, свинец, уран и т. п.). Предпочтительно использование тяжёлых ядер и в детектирующем материале, в качестве которого может выступать сцинтиллятор (например, вольфрамат свинца PbWO4) или черенковский радиатор (например, свинцовое стекло). В ходе остановки вторичных частиц ливня выделившаяся (в виде света) энергия собирается из детектирующих слоёв, преобразуется в электрический импульс (с помощью фотодетекторов, как правило, фотоэлектронных умножителей) и регистрируется.

Электромагнитные детекторы, как правило, являются гомогенными. Электроны, позитроны и гамма-кванты, из которых состоит электромагнитный ливень, хорошо поглощаются в детектирующих материалах, и детектор может иметь разумные размеры. Гомогенные калориметры имеют лучшее энергетическое разрешение, чем самплинг-калориметры.

Время-пролетные счетчики - (англ. TOF (time-of-flight)-detector) — это детекторы, предназначенные для идентификации элементарных частиц времяпролётной методикой, то есть путем определения скорости по времени пролёта частицы от мишени до детектора.

Базовыми элементами подобных счётчиков могут служить газовые резистивные плоские камеры (РПК) (англ. Resistive Plate Chamber (RPC)) и плоскопараллельные камеры (ППК) (англ. Parallel-Plate Avalanche Chamber (PPAC)), а также длинные сцинтилляционные счетчики с малым поперечным сечением на основе пластмассовых сцинтилляторов. RPC и PPAC характеризуются высоким временным разрешением, 50-100 пс, но имеют серьезные ограничения по скорости счёта и эффективности регистрации частиц. Временное разрешение, эффективность и скорость счёта этих счётчиков зависят друг от друга и от ионизирующей способности проходящих через них частиц.

Детектор черенковского излучения (англ. Čerenkov detector) — детектор элементарных частиц, использующий детектирование черенковского излучения, что позволяет косвенным образом определить массы частиц, или отделить более лёгкие частицы (дающие черенковское излучение) от более тяжёлых (не излучающие).

Черенковское излучение преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоэлектронных умножителей.

Частица, проходящая через вещество со скоростью большей, чем скорость света в данном веществе, излучает черенковский свет.

Можно привести аналогию с созданием звукового удара, когда самолёт летит быстрее, чем звуковые волны перемещаются по воздуху. Получающийся при этом свет излучается приблизительно в направлении движения частицы в конус, угол которого θc напрямую связан со скоростью частицы формулой:

где c — скорость света, v — скорость частицы, а n — показатель преломления среды.

Черенковский детектор позволяет извлекать информацию о скорости частицы, и, если известен импульс частицы (например, по искривлению траектории в магнитном поле), то даёт возможность получить и массу, и таким образом идентифицировать частицу.

Таким образом, этот тип детекторов может дать больше информации, по сравнению, например, со сцинтилляционными счётчиками.

В настоящее время используются модифицированные черенковские детекторы, так называемые RICH-детекторы (англ. Ring Image Cherenkov detectors) — детекторы, регистрирующие кольца черенковского излучения.

Детектор переходного излучения (ДПИ), Transition Radiation Detector (TRD) — детектор быстрых заряженных частиц, который регистрирует переходное излучение, испускаемое релятивистской частицей при пересечении ею границы раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью.

Детектор переходного излучения состоит из двух частей: радиатора и детектора, регистрирующего фотоны, испускаемые релятивистской частицей в радиаторе.

Сцинтилляционный счетчик – используется метод регистрации света, испускаемого средой при прохождении через нее частицы. Для регистрации сцинтилляций используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие вспышку света в электрический сигнал и одновременно усиливающие этот сигнал. Сцинтилляционный счетчик с ФЭУ схематически изображен на рис.

Сцинтилляционный счетчик регистрирует частицы по световому излучению, вызываемому ими в кристалле. Часть светового излучения попадает в световод. Свет выбивает из фотокатода фотоэлектронного умножителя электроны, которые ускоряются и умножаются системой его динодов, создавая ток, который дополнительно усиливается.

Полупроводниковый детектор – типичная схема показана на рис.

Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3 эВ, тогда как в газовом - 30 эВ. Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры.

Соответственно этому возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии.

Рис.. Полупроводниковый детектор. Обратное напряжение, приложенное к p-n переходу, удаляет свободные носители, создавая обедненную область. При прохождении через эту область ионизующей частицы возникают свободные носители заряда, которые диффундируют в противоположных направлениях, создавая электрический ток.

Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм.

Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией.

Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов.

Кроме того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов. Еще один тип полупроводникового детектора - литий-дрейфовый детектор с p - i - n-переходом - изготавливается методом диффузии ионов лития в полупроводниковый материал (германий или кремний). Это дает возможность получать обедненные области толщиной в несколько сантиметров и создавать детекторы значительно больших размеров, чем поверхностно-барьерные. Такие детекторы применяются для регистрации частиц с большими энергиями, а также рентгеновского и гамма-излучения, сравнительно слабо взаимодействующего с веществом.

Ионизационная камера.

Действие ионизационной камеры основано на сборе (в форме электрического тока) ионов, образующихся при прохождении через камеру заряженных частиц. Электрический ток, возникающий в результате ионизации, дается выражением

i = nq/t, где n - число образовавшихся ионов, q - электрический заряд каждого иона, а t - время, необходимое для того, чтобы собрать ионы.

Ток можно преобразовать в падение напряжения, разряжая заряженный им конденсатор или пропуская его через резистор. Ток, создаваемый одной частицей, составляет обычно доли микроампера, а падение напряжения измеряется милливольтами. Полные потери энергии частицы при прохождении ее через камеру даются формулой

E = nk, где n - число образованных ионов, которое можно определить по току или падению напряжения в камере, а k - средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов.

Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ. Образование ионных пар - случайный процесс, а поэтому возможны флуктуации числа n. Все измеренные величины, основанные на показаниях счетчика, тоже будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности.

Схема ионизационной камеры, которая собирает ионы, возникающие в результате ионизации газа. На два проводящих электрода, катод и анод, подано высокое напряжение. Частица, пролетающая сквозь газ, создает ионы, при этом положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные - к аноду.