Методы детектирования элементарных частиц

7. По нефтепроводу закачивают вначале бензин, потом нефть. Предложите способ определения подхода нефти к месту хранения без открывания трубопровода.

занятие 2.3.1

методы детектирования элементарных частиц

1. Регистрация элементарных частиц

Элементарные частицы имеют индивидуальные характеристики, называемые квантовыми числами, которые определяют их поведение во внешних полях, взаимодействия с другими частицами. Они отличают одну частицу от другой.

Перечислим основные квантовые числа. Энергия и импульс частиц задаются внешними воздействиями и могут быть произвольно изменены. Неизменными характеристиками элементарных частиц являются инвариантная масса, собственное среднее время жизни частицы, собственный момент импульса, или спин, электрический заряд, магнитный момент, барионный заряд, изоспин, гиперзаряд (вариант — странность), лептонный заряд и ряд зарядов, открытых сравнительно недавно. С помощью приборов, обнаруживающих частицы, часто определяют факт существования частиц и измеряют квантовые числа. Рассмотрим устройство и принцип действия некоторых регистрирующих приборов.

1.1 Счетчик Гейгера

Трубка Гейгера представляет собой тонкостенный стеклянный цилиндрический баллон, в котором находится некоторый газ при пониженном давлении. Вдоль оси цилиндра проходит тонкая струна — анод. К стеклу прилегает цилиндрический катод. На них через резистор и параллельно ему подсоединенный конденсатор подается высокое напряжение, но меньшее напряжения пробоя.

Заряженные частицы высокой энергии или высокоэнергичное рентгеновское излучение при распространении через газ оставляют за собой более или менее интенсивный ионизационный след (цепочку ионов — ионизированных молекул газа). Это явление используют для обнаружения ионизирующего излучения.

Если бы катодом была струна, то из-за повышенной напряженности электрического поля вблизи тонкой струны мог бы возникать самостоятельный разряд без ионизации газа высокоэнергичными частицами.

Первичные ионы, родившиеся в результате ионизации газа высокоэнергичной частицей, ускоряются электрическим полем катода и анода, приобретают достаточную для вторичной ионизации энергию и порождают лавину. Ток I в трубке и резисторе резко возрастает. Напряжение между катодом и анодом из-за падения напряжения на резисторе падает, самостоятельный разряд прекращается. Происходит самогашение разряда. Если бы в схеме не было конденсатора, то из-за большой скорости зарядки катода и анода трубки, которые также представляют собой обкладки конденсатора, за короткое время трубка не успела бы очиститься от ионов, и разряд бы возник снова (в схеме возникли бы колебания). Наличие конденсатора приводит к тому, что после прекращения самостоятельного разряда в трубке напряжение между катодом и анодом восстанавливается со скоростью зарядки конденсатора за время t=RC. За это время происходит полная очистка трубки от ионов, и она снова готова к регистрации новой частицы.

Пусть трубка заполнена воздухом. Рассмотрим условия возникновения разряда в ней при появлении ионизационного следа. Поскольку лавинный разряд происходит при условии, что на длине свободного пробега накапливается энергия не меньшая, чем энергия ионизации, должно выполняться соотношение Wo=elE=elU/L, где L — расстояние между катодом и анодом. Среднее значение напряженности электрического поля в трубке равно U/L=30000 В, что меньше необходимого для пробоя при нормальных условиях примерно в 30 раз. По этой причине для достижения той же энергии в 1 эВ необходимо, чтобы средняя длина свободного пробега в трубке превышала среднюю длину свободного пробега при нормальных условиях в 30 раз. Длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению. Значит давление в трубке должно быть ниже атмосферного примерно в 30 раз.

1.2 Сцинтилляционные счетчики

Эти приборы широко применяются на современных ускорителях элементарных частиц. Прибор представляет собой комбинацию резервуара, заполненного жидким или твердым прозрачным сцинтиллятором, и фотоумножителя. Частица, попавшая в резервуар со сцинтиллятором, вызывает излучение одного или нескольких фотонов. Фотоны, попадая на фотокатод с малой работой выхода, в результате фотоэффекта вырывают электроны. Электроны из фотокатода под действием ускоряющего напряжения попадают на промежуточный электрод — динод — и каждый выбивает по нескольку электронов. Вторичные электроны ускоряются и попадают на следующий динод. Через несколько ступеней на анод попадает такое большое число электронов, что возникает уверенно регистрируемый импульс тока. Пересчетное устройство суммирует импульсы. Излучаемое число фотонов, зависит от энергии частицы, попавшей в сцинтиллятор. Оно пропорциональное энергии, поэтому и величина анодного тока оказывается пропорциональной энергии частицы. Такой счетчик называется пропорциональным.

1.3 Черенковские счетчики

Как известно, скорость распространения света в среде v меньше скорости распространения в вакууме: v=c/n, где n — показатель преломления среды. Скорость ультрарелятивистских частиц может превышать скорость света в среде, в которой они движутся. При этом в узком конусе в

направлении импульса частицы возникает свечение среды (черенковское излучение). Излучение регистрируется чувствительными фотоумножителями. Угол раствора светового конуса — . По углу J с точностью до 0,1% можно определить импульс частицы. С помощью черенковского счетчика был обнаружен антипротон.

1.4 Трековые камеры

В трековых камерах движущаяся в среде частица оставляет за собой видимый след. Этот вид детекторов является очень информативным. С их помощью удается восстановить практически все квантовые числа частиц.

1.4.1 Камера Вильсона

Исторически первыми трековыми камерами были камеры Вильсона. След заряженной частицы в пространстве, заполненном переохлажденным паром, проявлялся цепочкой капелек тумана. Рассмотрим механизм образования следа.

Давление равновесного пара над жидкостью является однозначной функцией температуры. Однако при отсутствии межфазной границы и при отсутствии центров конденсации давление насыщенного пара можно повысить и конденсация не произойдет. Например, если в сосуде с гладкими стенками находится насыщенный пар, то при небольшом понижении температуры конденсация может не произойти. Пар будет находиться в пересыщенном (переохлажденном) состоянии.

Вопрос 1. Объясните, почему при отсутствии центров конденсации вещество может не переходить из пара в жидкость.

При появлении в пересыщенном паре центров парообразования начинается лавинообразная конденсация. На этом физическом явлении основан принцип действия туманной камеры (камеры Вильсона). В сосуде с поршнем приготавливается насыщенный пар какой-либо жидкости. Затем поршень быстро выдвигают, уменьшая давление. При адиабатическом расширении температура понижается в большей степени, чем концентрация пара, поэтому пар в сосуде оказывается в пересыщенном состоянии. Если сквозь пар пролетает заряженная частица, ионизирующая его, вдоль ее следа остаются ионы. Окружающие ион нейтральные молекулы поляризуются и притягиваются к иону. Вокруг каждого иона возникают молекулярные комки, которые являются центрами конденсации. Пар конденсируется в капельки, расположенные вдоль ионного следа частицы.

П. Л.Капица и Д. В.Скобельцын предложили помещать камеру в магнитное поле. Это позволило по искривлению траектории трека частицы определять ее импульс. Вместе со знанием энергии частицы математическая обработка формы следов дает значение инвариантной массы.

Недостатком камеры Вильсона является малая плотность рабочего вещества и поэтому малая концентрация получающихся ионов. Только частицы с малой энергией тормозятся в камере до остановки.

Опыт 1. Пронаблюдайте действие демонстрационной камеры Вильсона с препаратом радиоактивного изотопа 40K и объясните ее работу. Обратите внимание на длины треков частиц.

1.4.2 Пузырьковая камера

Действие пузырьковой камеры аналогично действию камеры Вильсона. Отличие состоит в том, что в качестве рабочего тела используется не перенасыщенный пар, а перегретая жидкость. При прохождении через нее ионизирующей частицы вдоль следа возникает череда пузырьков. Если своевременно не повысить давление в жидкости, она вся через мгновение закипит. В пузырьковых камерах в качестве рабочего тела используют очищенный жидкий водород, фреон, пропан и другие водородосодержащие жидкости.

Вопрос 2. Объясните, почему при отсутствии центров парообразования вещество не закипает.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона состоит в том, что плотность рабочего вещества в пузырьковой камере много больше плотности в камере Вильсона. Рабочий объем современных пузырьковых камер достигает 30 м3.

Камера буквально напичкана различными датчиками, фото — и кинокамерами, работой которых управляет ЭВМ. Сигналы с датчиков обрабатываются автоматически также на ЭВМ. Ускоритель вместе с трековой камерой представляют собой сложнейший научный комплекс, стоимость каждой минуты работы которого исчисляется тысячами долларов.