Детектор — это самая главная часть ускорительного эксперимента; это тот «окуляр микроскопа», с помощью которого физики могут разглядеть устройство ядра и элементарных частиц.

Внутри детектора частицы из встречных пучков сталкиваются и порождают новые нестабильные частицы. Они тут же распадаются на более стабильные частицы, которые разлетаются во все стороны. Эти продукты распада пролетают сквозь детектор и оставляют в нём свои следы — например, ионизируют вещество на своем пути и заставляют светиться специальные сцинтилляционные кристаллы. По этим следам физики узнают, что это были за частицы, под каким углом и с какой энергией они пролетели, какие у них были заряд и масса. Собрать всю эту информацию помогают разные компоненты детектора, расположенные слоями друг вокруг друга.

Вершинный детектор

Вершинный детектор — это очень компактный детектор, который расположен вплотную к вакуумной трубе, очень близко к месту столкновения частиц. Его цель — как можно точнее восстановить первые сантиметры траекторий вылетевших частиц и найти их «вершины», то есть точки в пространстве, где эти частицы родились. Эта информация особенно полезна при рождении большого числа частиц — с ее помощью можно выяснить, какие из них являются продуктами распада нестабильных промежуточных частиц, а какие сразу родились в столкновении.

Вершинный детектор выглядит как тонкая «слойка» из полупроводниковых пластинок с множеством дорожек для стока заряда. Когда заряженная частица пронзает ее насквозь, в каждом слое, в том месте, где прошла частица, возникает и начинает двигаться облачко электронов, выбитых из полупроводника. Микроэлектроника собирает возникший заряд и позволяет с высокой точностью и очень быстро определить точки прохождения частицы. По нескольким таким точкам затем восстанавливается пространственная траектория частицы.

Трековый детектор

Следующим идет трековый детектор, размером порядка метра. Он измеряет то, как траектории вылетевших частиц («треки») изгибаются в магнитном поле, пронизывающем детектор. Зная радиус кривизны траектории, можно вычислить импульс частицы. Часто в качестве трековых детекторов используются дрейфовые камеры. В них с мелким шагом натянуты тонкие проволочки под напряжением. Заряды, порожденные пролетевшей частицей, оседают на ближайшей проволочке, сообщая регистрирующей аппаратуре, где пролетела частица. Из сигналов с многих проволочек и складывается траектория частицы.

Если в столкновении родилось несколько частиц, то их траектории обычно легко восстанавливаются. Но когда из вершины разлетаются сотни частиц (так происходит, например, в столкновении тяжелых ядер), то в трековом детекторе появляется настоящая мешанина из сотен дуг. Для понимания того, что же произошло в момент столкновения, необходимо восстановить все траектории до единой и выяснить, какая дуга относится к какой частице. Это удается сделать благодаря специально разработанным сложным алгоритмам обработки «сырых» данных.

Калориметр

Следующими стоят многослойные калориметры — детекторы, измеряющие энергию частиц. Зная энергию частицы и ее импульс, можно по формулам релятивистской динамики вычислить ее массу — а значит, узнать, какого типа эта частица.

Энергию частицы можно измерить с хорошей точностью, если она полностью поглотится в веществе. Часть этой энергии потратится на рождение квантов света, которые можно уловить с помощью очень чувствительных фотодетекторов — фотоумножителей, — и с помощью этого восстановить энергию исходной частицы. В отличие от вершинного и трекового детектора, которые очень слабо влияют на частицу, калориметр ее полностью поглощает. Поэтому калориметры должны находиться во внешних слоях детектора.

• Зачем нужен ускоритель
• Единицы измерения расстояний, энергий и масс
• Краткая история ускорителей
• Как работает ускоритель
• Основные компоненты детектора
• Как на ускорителе изучают свойства частиц
• Природные ускорители
• Применение ускорителей и детекторов в медицине

Вернуться к интерактивной модели