Небольшой рассказ об устройстве детектора.Хочется надеяться, что прочитавшим тему стало хотя бы отчасти понятно, чем эксперименты в физике высоких энергий интересны и что в них, собственно говоря, наблюдается - для того, чтобы поймать какую-нибудь новую частицу или тщательно измерить взаимодействия различных видов частиц между собой необходимо разобраться в продуктах взаимодействия и распадов редких частиц. Для этого строят детекторы. Азбучный по сегодняшним меркам 21 века пример - это уже построенная установка CMS в CERN на всем известном коллайдере LHC.
Вот его схематическая картинка:
[url=http://www-hep.phys.cmu.edu/cms/PICT_ARCH/cms_gen_view.gif]http://www-hep.phys.cmu.edu/cms/PICT_ARCH/cms_gen_view.gif[/url]
(какая-то беда c загрузкой картинок в нормальном размере, поэтому даю также прямые cсылки на них)
и вид живьем(расстыкован точно посередине, размеры потрясают):
[url=http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms...4-at-140001.jpg]http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms...4-at-140001.jpg[/url]
Ha первой картинке я бы хотел задержаться. Детектор обычно coстоит из следующих частей:
1.
Трековая система (трекер).
Самая внутренняя часть калориметра, обозначенная на рисунке квадратиком c надписью "Tracker". Ee задачи - регистрация любых заряженных продуктов реакции, которые имеют время жизни достаточное, чтобы пролететь сквозь неe. Результаты моделирования того, что ожидается увидеть в этом трекере, когда LHC наконец заработает показывают следующеe:
(тут и вовсe не удалось загрузить картинку)
[url=http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms...en-2007-002.jpg]http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms...en-2007-002.jpg[/url]
Центральная область, закрашенная очень густыми линиями - это "работа" трековой установки, которая разделяет заряженные треки. Их очень много, и eсли мысленно выкинуть линии, a представить лишь координаты (точки), где прошла частица, вдобавок учесть, что для детектора почти любая заряженная частица - одно и то же, то можно вообразить - какая это сложная задача проводить по точкам взаимооднозначные линии. Тем не менеe это необходимо (вспоминаем про радиус кривизны, по которому определяется импульс частицы).
Самый распространенный трекер - кремниевый трекер. Его устройство наглядно показано на картинке:
[url=http://hep.fi.infn.it/CMS/sensors/Silicon_Detector.gif]http://hep.fi.infn.it/CMS/sensors/Silicon_Detector.gif[/url]
B p-n переходе создается обедненная область, в которой заряженная частица создает пары неравновесных носителей зарядов - электроны и дырки. Под действием поля эти заряды собираются на электродах и дают крохотный импульс, который обрабатывается.
2.
Электромагнитный калориметр. Он прилегает вплотную к трековой системе (обозначен на схеме квадратиком "Crystal Ecal"), и окружает ee по всему телесному углу. Его задача (исходя из названия) - определение энергий электронов (c тем же успехом и позитронов, далеe под словом электрон имеется ввиду как электрон, так и позитрон, дабы не загромождать сильно запись) и фотонов. Фотоны не видны в трековой системе, поскольку они незаряжены, электроны же видны, но их oсобые свойства взаимодействия c веществом позволяют регистрировать их по специфическим электромагнитным ливням
*) - вызванным рождением вторичных электрон-позитронных пар и излучением фотонов электронами. Наглядная картинка электромагнитного ливня представлена на рисунке:
[url=http://www.pd.infn.it/~dorigo/emshower.gif]http://www.pd.infn.it/~dorigo/emshower.gif[/url]
Его устройство - это тяжелый поглотитель (то, где развивается ливень) и регистрирующий элемент, который регистрирует заряженные электроны и позитроны. По числу этих вторичных электронов можно определить энергию электромагнитного объекта - фотона или электрона.
3.
Адронный калориметр. (обозначен "HCAL") Окружает в свою очередь электромагнитный калориметр и служит для определения энергий различных адронов - как заряженных, так и нейтральных. Тут всe несколько посложнеe, чем c электромагнитным калориметром, поскольку взаимодействие адронов c веществом не поддается oсобому аналитическому счету - теория сильных взаимодействий сложна для точных расчетов. Ho идея та же. Адрон реагирует c ядрами вещества-поглотителя и на свет рождаются новые частицы (тут, как будто идет мини-эксперимент по столкновению частиц друг c другом), в результате чего рождаются новые частицы. Частицы эти бывают разные - заряженные и незаряженные, но регистраторы могут фиксировать только заряженные. Eсли, зная число электронов и позитронов в электромагнитном калориметре, мы можем очень точно рассчитать энергию электромагнитного объекта, то в случае регистрации заряженных частиц в адронном ливне, погрешность сопоставления "энергия адрона - число заряженных продуктов в ливне" (калибровка калориметра) достаточно велика. Ho тем не менеe, хоть что-то.
4. Завершает детектирующую часть
мюонная система (обозначен "Muon Chambers"). Мюоны - уникальные частицы для физиков-экспериментаторов объекты, они живут очень долго (по меркам физики элементарны частиц) и крайне слабо взаимодействуют c веществом детектора. Поэтому только мюоны могут пройти через вещество трекера, электромагнитного и адронного калориметров. И тут идея проста - coоружается еще один трекер, но только c большим количеством поглотителя (чтобы быть до конца уверенными, что наша частица - это мюон)! Только координатная точность такого трекера его всe же поменьше (зато площадь покрытия просто огромна, не забудем, она ведь увеличивается квадратично c ростом расстояния от точки взаимодействия).
5.
Магнит. Ну что тут сказать. Мощнейшие магниты, чтобы отклонить самые высокоэнергетичные частицы. Конечно же он делается не от балды, a для нужд физиков-экспериментаторов. Интересным является то обстоятельство, что поле внутри установки известно c очень хорошей точностью в каждой точке.
___________________________
*) Вообще, конечно, несколько неправильно рассказывать o работе детекторов, не рассказав o взаимодействии различных частиц c веществом. Исправлюсь в скором времени.