Детекторы элементарных частиц

Детекторами элементарных частиц принято называть приборы, предназначенные для регистрации атомных и субатомных частиц.

Первым детектором заряженных элементарных частиц можно назвать электроскоп, предназначенный для обнаружения у тел электрического  заряда, оценки его знака и величины. Потому что, после открытия Дж. Томсоном электрона (1897 год) и Э. Резерфодом (1911 год) планетарной модели атома стало ясно, что когда мы заряжаем электроскоп отрицательно, на него переходит не заряд, а электроны, которые являются носителями заряда. В своё время произвольное разряжение электроскопа спустя неопределённо долгое время наводило физиков на мысль о присутствии в воздухе каких-то заряженных частиц. С открытием радиоактивности и исследованием состава радиоактивного излучения это явление объясняли ионизацией воздуха, вызванной действием радиоактивных веществ, присутствующих на Земле. Но, как уже потом выяснилось, ионизация воздуха в большей степени была вызвана космическим излучением, и в воздухе действительно присутствуют не только ионы, но и заряженные частицы.

Первый научный электроскоп был изобретён английским физиком У. Гилбертом в 1600 году. Он представлял собой вращающуюся иглу и  получил название «версориум». В 1754 году английским изобретателем Д. Катоном был разработан электроскоп с шариком. А в 1787 году английским физиком А. Беннетом был изобретён первый электроскоп с золотым листочком.

После результатов исследования состава радиоактивного излучения, активно стали применяться сцинтилляционные методы регистрации частиц.

С открытием γ-квантов (1900-1922 года), планетарной модели атома начали появляться детекторы, которые позволяли регистрировать факт прохождения элементарной частицы через определенный участок пространства. Малые возможности таких имеющихся детекторов привели к созданию счётчиков, которые давали возможность определять скорость, энергию регистрируемой частицы, в некоторых случаях импульс и массу. Наряду с ними стали появляться трековые детекторы, позволяющие не посредственно наблюдать и изучать ядерные реакции,  определять параметры элементарных частиц. Именно с помощью трековых детекторов были открыты первые частицы  космического излучения (позитрон, мюоны, пионы), что подтверждало (доказывало) факт существования его самого.

Со временем космическое излучение  стало изучаться при помощи разнообразных детекторов, установленных как в наземных, так и подземных обсерваториях, на самолётах, воздушных шарах и космических аппаратах. Стоит отметить, что регистрация вторичных космических частиц дело нелёгкое, так как на  верхней границы атмосферы в среднем ежегодно попадает одна частица с энергией около . Частицы с энергией около пересекают такую площадь ещё реже – менее чем, раз в столетие. Поэтому установки для детектирования широких атмосферных ливней (ШАЛ), расположенные на поверхности земли, занимают площади до нескольких десятков квадратных километров. Например, главный комплекс обсерватории имени П. Оже близ городка Маларгуэ в Аргентине занимает площадь в (это больше площади Москвы – с учётом Новой Москвы). Данная обсерватория ведёт свою работу с 2008 года. Её цель – определение характера, энергии и места происхождения космических лучей с энергиями выше (это в миллион раз больше энергии частиц в Большом Адронном Коллайдере), чтобы лучше понять мир, который нас окружает. 

Близкое расположение к экватору массива детекторов позволяет захватывать космические лучи, приходящие от всего южного, а также от большей части северного неба, покрывая таким образом  небесной сферы.

 

Карта расположения детекторов обсерватории им. П. Оже

Точки  – это поверхностные детекторы (1600 штук), расставленные на земле в узлах треугольно сетки с шагом . Синие линии – это направления просмотра 24-х флуоресцентных детекторов, расположенных в 4-х зданиях, названия которых также указаны синим цветом. Красные точки – это местоположения специализированного оборудования.

Флуоресцентный детектор обсерватории им. П. Оже 

Каждый шестой телескоп такого детектора при помощи сферического зеркала концентрирует свет в область зрения своей камеры.

Площадь сферической поверхности зеркала телескопа , обзор телескопа – . Общее поле зрения детектора: .

Один из поверхностных детекторов   обсерватории им. П. Оже  Объёмом бака , глубина – , площадью основания – . Питание фотоумножителей осуществляется с помощью солнечных батарей (по ночам при помощи аккумулятора).

Схема расположения флуоресцентных телескопов   Фотоумножители (440 шт.) или пиксели камеры (22×20) флуоресцентного детектора Диаметр каждого пикселя . Радиус его обзора .

 

Принцип регистрации космического излучения в обсерватории им. П. Оже  Ливень частиц, рождающийся при прохождении через неё космического луча, регистрируется при помощи поверхностных детекторов  и детекторов флуоресцентного свечения (справа снизу), рождающегося в атмосфере     Проходя через атмосферу, частицы ливня взаимодействуют с азотом воздуха, атомы которого возбуждаются. После прохождения частицы они начинают переходить в своё  основное состояние. При этом их вызывается флуаресценция (свечение), следы которой могут быть сфотографированы на высокой скорости специальными телес-копами  (детекторами флуорес-ценции), расположенными на небольшой возвышенности. Флу-оресцентные детекторы позволяют определить направления космичес-ких частиц. Используя сетку фокусирующих зеркал детекторы могут прослеживать ливень частиц до .  Чем большим числом флуоресцентных детекторов будет зарегистрирован ливень частиц, тем точнее будет определено направление космических лучей. Энергия первичной космической частицы может быть оценена по количеству света от вторичных частиц. При достижении частицами земной поверхности, их обнаружение происходит при помощи специальных резервуаров с водой высокой степени очистки (поверхностных детекторов), где они вызывают черенковское излучение, которое затем регистрируется 9-дюймовыми фотоумножителями. После чего электрический сигнал по радио передаётся в саму обсерваторию. Синхронизация сигналов с разных детекторов производится по GPS. Временная разница в сигналах позволяет восстановить направление (траекторию) космического ливня (и его первоначальных частиц) с точностью до . Телескопы флуоресцентных детекторов могут вести наблюдения (дают хорошие результаты) только ясными безлунными ночами, а водные детекторы работают постоянно.

В связи с тем, что  интенсивность космического излучения у поверхности Земли ниже, регистрация элементарных частиц детекторами, установленными на космических аппаратах, оказывается значительно эффективней, чем детекторами наземных установок.

Детектор космических частиц AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), установленный в 2011 году

на Международной космической станции

За первые 14 месяцев его работы было зарегистрировано 18 млрд. элементарных частиц,

т. е. больше, чем это могут сделать все наземные детекторы за 100 лет.

Имеющиеся недостатки в изучении космических лучей для исследования свойств материи послужили поводом создания мощнейших ускорителей элементарных частиц (до сотен гига- и тера-электрон-вольт) различных типов (бетатрона, циклотрона, линейного ускорителя). Эксперименты на ускорителях дали огромное количество новой информации об элементарных частицах и характере взаимодействий между ними.

Практически все методы регистрации элементарных частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно. Нейтральные частицы (например, , ) же этого сделать не могут. Они могут быть зарегистрированы лишь по вторичным заряженным частицам, возникших либо в реакциях этих нейтральных частиц с ядрами среды, либо в результате распада этих частиц. γ-кванты также позволяют себя обнаружить по заряженным частицам – электронам и позитронам, возникающим в среде вследствие фотоэффекта, Комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар.

Такие частицы как нейтрино, возникающие в результате реакции, в силу исключительно малого сечения взаимодействия со средой ( ) в большинстве случаев вообще не воспринимаются детекторами. Тем не менее, факт их появления может быть установлен. Дело в том, эти частицы, ускользая от непосредственного наблюдения, уносят с собой определённую энергию, импульс, спин, лептонный заряд. Регистрация всех без исключения частиц в реакциях распада и применение к ним закона сохранения энергии, закона сохранения импульса, момента импульса, электрического заряда, лептонного заряда и др. позволяют обнаружить эту недостачу.  К тому же такой анализ позволяет не только убедиться в обнаружении нейтрино, но и установить энергию этой частицы и направление её вылета из точки реакции.

Вторичные эффекты, сопровождающие реакции, такие, как вспышка света, электрический ток, потемнение фотопластинки, также позволяют регистрировать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга и измерять их энергию.

Зафиксировать быстрораспадающиеся частицы детекторам практически не удаётся, поэтому они также обнаруживаются по продуктам распада.

Во многих экспериментах, особенно в физике высоких энергий, используются крупногабаритные и сложные комплексы, состоящие из большого числа детекторов различного типа. Такие комплексы, фиксируя практически все частицы, возникающие в эксперименте, дают достаточно полное представление об изучаемом явлении.

Для ознакомления с основными видами детекторов, применяемых в физике элементарных частиц, и принципами их работы перейдите по соответствующим ссылкам, представленных ниже.

Сцинтилляционный детектор

Газоразрядный счётчик Гейгера-Мюллера

Пропорциональный счётчик

Черенковский счётчик

Дрейфовая камера

Камера Вильсона

Пузырьковая камера

Искровая камера

Метод толстослойных фотоэмульсий

Детекторы с твердотельной рабочей средой (кристаллические и полупроводниковые)

Калориметры

Основными характеристиками детекторов являются:

● эффективность –  отношение числа частиц, зарегистрированных детектором, к общему числу частиц, прошедших через него (вероятность регистрации частицы детектором);

● временнoе разрешение – минимальный промежуток времени между регистрацией детектором двух частиц как отдельных, а сигналы регистрации не накладываются друг на друга;

● мёртвое время (время восстановления) – время, в течение которого детектор после регистрации частицы либо вообще теряет способность к регистрации следующей частицы, либо существенно ухудшает свои характеристики (время, в течение которого детектор, зарегистрировав одну частицу, успевает вернуться в исходное состояние, чтобы быть готовым для регистрации следующей частицы);

Если детектор определяет энергию частицы и (или) её координаты, то он характеризуется также энергетическим разрешением (точностью определения энергии частицы) и пространственным разрешением (точностью определения координаты частицы).

Если говорить об общих требованиях к детектирующей аппаратуре, то можно сказать, что все они сводятся к наличию возможности определения типа частицы (идентификации) и её кинематических характеристик (энергии, импульса и т. д.).