Детекторы элементарных частиц(введение)

Детекторы частиц
Предмет сам по себе очень сложный
Непростые физические эффекты
Сложные инженерные решения
У нас есть всего 45 минут
В ведущих вузах (МФТИ/МИФИ/МГУ/НГУ) основы предмета изучаются в течении как минимум двух семестров
Некие упрощения неизбежны
Ко многим утверждениям можно найти хотя бы одно исключение
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Частицы
Регистрируемые непосредственно («долгоживущие»)
Заряженные:
Электрон, протон
мюоны, π± и К±-мезоны
Нейтральные: фотоны /гамма-кванты
Реконструируемые по их распадам («короткоживущие»)
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"
Частицы, живущие достаточно долго, чтобы оставлять след кторый можно наблюдать/измерять непосредственн след, («трек»)
Упрощение: граница между этими категориями не такая четкая

Детекторы частиц вокруг нас
Детектор (низкоэнергичных) электронов
Экран ЭЛТ («старого») телевизора, осциллографа, …
Детектор (низкоэнергичных) фотонов
Фотоплёнка, фотопластинки
Цифровые видео и фотокамеры: ПЗС-матрица
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"
Исторически первый

Числа и единицы измерений
Энергия: электрон-вольты, килоэлектрон вольты, …, Тераэлектронвольты
1 эВ = 1.6×10-19 Дж
Энергия которую приобретает электрон пройдя разность потенциалов в 1 вольт
Энергия связи электронов в атоме:
O(13.6эВ)
Энергия протона в LHC:
3.5 ТэВ × 1.6×10-19 Дж/эВ = 5.6 ×10-7 Дж
10 11 протонов в банче: 56 кДж = 13.3ккал
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Как регистрировать частицы?
«Типичные» энергии очень малы по сравнению с макроскопическими размерами
Надо использовать физические эффекты которые очень чувствительны к малым возмущениям
Основной принцип до конца 70х годов XX века
Прогресс в развитии современной электроники позволяет усилить слабые сигналы
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Неустойчивое равновесие
Система, наиболее чувствительная к малым внешним равновесиям – это система в состоянии неустойчивого равновесия
Макроскопическая система может быть чувствительной к микроскопическим воздействиям
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Перегретая жидкость
Простой домашний опыт
Очень чистая вода (например много раз кипяченая)
Очень чистая ровная посуда с ровным гладким дном и стенками (например химическая колба)
Очень осторожный равномерный нагрев
Вода не закипает!
Мгновенно и бурно вскипает если бросить туда что-нибудь мелкое… или просто потрясти
Малое возмущение приводит к большим качественным изменениям в системе
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Пузырьковая камера
Перегретая жидкость: часто жидкий водород
Когда через жидкость проходит заряженная частица (малое воздействие), жидкость вскипает вдоль ее движения, образуя слез из мельчайших пузырьков, которые можно сфотографировать
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Пузырьковые камеры
Изобретена Дональдом Глейзером (1952 год)
Нобелевская премия 1960 год
Можно «глазом» видеть частицы
Миллионы фотографий…
Разные жидкости: водород, дейтерий, пропан, ксенон, …
В реальности не нагревают, а изменяют давление..
«Золотой век»
«Гаргамель»
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Gargamel
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"
Пузырьковая камера Гаргамель. ЦЕРН
1970-1978
2×4 метра
12 м3 фреона
Одно из наиболее важных открытий в ЦЕРН: 1973 год

Переохлажденный пар
Еще одна система с неустойчивым равновесием
Конденсация перенасыщенного пара
Образование капелек конденсата («тумана») вдоль движения заряженной частицы
«туманная камера Вильсона»
Изобретена Чарльзом Вильсоном в начале XX века
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Счетчик Гейгера
Заряженный конденсатор на грани пробоя
Разряд/пробой когда проходит частица
Используется в дозиметрах
Изобретен Гансом Гейгером в 1908 году
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

(Опыт Резерфорда)
Знаменитый опыт Резерфорда, который показал что атом имеет тяжелое и очень компактное ядро
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"
Гейгер

Как происходит взаимодействие частиц с веществом?
Все заряженные частицы:
Ионизация вещества
Тормозное излучение
особенно e- и e+
Черенковское излучение
Переходное излучение
Адроны: неупругие ядерные процессы,
Фотоны
Фотоэффект
Комптоновское рассеяние
Рождение e+e- пар в поле ядра
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Ионизационные потери
β = v/c
МэВ см2/г
Пропорционально плотности электронов в веществе
Слабо зависит от вещества
«2 МэВа на грамм»
4 для водорода
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Тормозное излучение
В электрическом поле ядра быстрая заряженная частица излучает фотоны
Эффект очень важен для e- и e+
(не очень важен для других частиц)
Растет линейно с энергией
Есть «критическая энергия» (5-10 МэВ), при больших энергиях эффект доминирует при меньших доминирует ионизационные потери
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Фотоны
Фотоэффект
Важен когда энергия фотона сравнима с энергией связи электрона в атоме
Комптон-эффект
Рождение пар в поле ядра
Доминирующий эффект при больших энергиях
А что случается дальше с e+ и e- ?
Предыдущий слайд ( и снова этот…)
Размножение частиц
Ливень
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Ливни
Высокоэнергичные фотоны рождают (высокоэнергичные) пары
Высокоэнергичные e- (и e+) излучают (высокоэнергичные) фотоны
…
… Процесс размножения продолжается пока энергия достаточно велика
Е > Eкрит
По закону сохранения энергии:
N ≈ E0/Eкрит
~тысячи частиц при начальной энергии E0 больше чем 1 ГэВ
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Адронные ливни
Похожим образом при больших энергиях взаимодействуют с ядрами адроны с выделением ядерных осколков и других адронов
Физика довольно сложна
Внутри ливня появляются также фотоны и электроны, рождая электромагнитные ливни
Размножение пока энергия частиц в ливне достаточно большая > ГэВ
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

А что происходит с энергией выделенной в веществе?
Сцинтилляторы – вещества в которых возбуждение снимается излучением видимого света…
Прозрачные (неорганические) кристаллы
Многие пластики, огрстекло,…
Количество света пропорционально энергии выделенной в куске сцинтиллятора
В случае ливней при очень большом куске вещества – пропорционально энергии частицы
«калориметр»
Возможность измерить энергию ливневой частицы!
Вспышки обычно очень слабые и для детектирования требуют использования фотоумножителей
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Что мы регистрировали в пузырьковой камере?
Трек частицы вызван ионизационными потерями.
Именно ионизационные потери в среде, ведущие к образованию пар электрон-ион, служат «спусковыми крючками» для выхода системы из состояния неустойчивого равновесия
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Другие подходы?
Со временем (развитием электроники, увеличения чувствительности аппаратуры и уменьшения всевозможных шумов) необходимость использования принципа неустойчивого равновесия для детектирования частиц стала уменьшаться.
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Газовое усиление
Электроны дрейфуют к тонкой проволочке
Электрическое поле вблизи проволочки очень большое
Размножение
«Газовое усиление»
Усиление сигнала зависит от
многих параметров: напряжения,
диаметра проволочки, газовой смеси
Малое усиление: (слабый) сигнал пропорционален ионизации
Слишком большое усиление: (сигнал большой) счетчик Гейгера
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Время дрейфа
Электроны дрейфуют к тонкой проволочке
Скорость около 50км/с
Измеряя время прихода
сигнала можно рассчитать
расстояние и узнать где
проходила частица
«Дрейфовые трубки»
«Соломенные трубки» , часто длинные и тонкие как соломинки для коктейлей:
LHCb: десятки тысяч трубок длиной около 3 метров и толщиной 5мм
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

А нужны ли трубки?
Дрейфовая камера
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Время-проекционная камера
Настоящая 3Д картинка
Сердце детектора ALICE
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Твердотельные детекторы
Ионизация в газах: 300 ионов на см
Пропорциональна плотности!
В твердых телах начальная ионизация заметно больше (103)
«Начальный» сигнал заметно больше
более компактный детектор
Еще больше сигнал в полупроводниках (~10)
«Электрон + Дырка» вместо «Электрон + Ион»
Нет газового усиления ☹
Нужна чувствительная и малошумящая электроника
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Полупроводниковые детекторы
Сердца современных детекторов
Типичные точности
5-50 мкм
Типичные геометрии
Полоски
«стрипы»
Короткие полоски
микрострипы
«стриксели»
Прямоугольники
«пиксели»
Много (десятков)
миллионов каналов считывания,
самые современные технологии
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Иногда сердце очень большое
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"
Внутренний детектор эксперимента ATLAS
> 108 каналов,
> 60м2 полупроводниковых детекторов

Большое сердце-II
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"
Внутренняя часть детектора CMS
65×106 каналов

Черенковское излучение
Когда заряженная частица движется в среде со скоростью больше скорости света в среде
(но меньше скорости света в вакууме)
Конус черенковского света cos θ = 1/(nβ)
Зная раствор конуса – измеряем скорость
Если отразить в сферическом зеркале – изображение этого конуса будет представлять собой окружность
Радиус связан с углом θ
Измеряем скорость
Зная импульс частицы, измеряем массу
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Детектор черенковских колец
Важный элемент экспериемнта LHCb
Уникальный для LHC
Позволяет различать заряженные частицы, в частности отличать каоны от пионов
Открывает массу интересных возможностей
Ввв
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

А как же мюоны?
Мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях
Нет адронных ливней Для мюонов не слишком больших энергий (меньше десятков ГэВ) тормозное излучение не приводит к большим потерям энергии
Нет электромагнитных ливней
Теряют энергию главным образом только за счет ионизации вещества!
Большая проникающая способность
«2 МэВа на грамм»
Плотность железа ~8г/см3
Потеря энергии: 16 МэВ на сантиметр толщины железа
16 ГэВ мюон спокойно пройдет через несколько метров железа
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

Детекторы мюонов
Мюонные детекторы обычно самые делекие от точки взаимодействия. Включают много тяжёлого материала: железо, железобетон
Часто самые тяжелые (по массе) элементы эксперимента
Часто совмещены с ярмом магнита
Обычно самые внешние и самые видимые
Часто только их и видно…
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

LHCb
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

ATLAS
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"

CMS
1 Ноября 2k+11
Ваня Беляев, "Детекторы (введение)"