Физические принципы детектирования элементарных частиц • физика элементарных частиц • lhc на «элементах»

Примеры и типы

Обзор типов детекторов частиц

Многие из детекторов, изобретенных и используемых до сих пор, являются детекторами ионизации (из которых детекторы газовой ионизации и полупроводниковые детекторы наиболее типичны) и сцинтилляционные детекторы; но были применены и другие, совершенно другие принципы, например Черенков свет и переходное излучение.

Облачные камеры визуализировать частицы создавая перенасыщенный слой пар. Частицы проходя через этот регион, создают облачные треки, похожие на следы конденсации самолетов

Запись пузырьковой камеры в ЦЕРН

Исторические примеры

Пузырьковая камера
Камера Вильсона (диффузионная камера)
Фотографическая пластина

Детекторы радиационной защиты

Следующие типы детекторов частиц широко используются для радиационной защиты и серийно производятся в больших количествах для общего использования в ядерной, медицинской и экологической областях.

Дозиметр
Электроскоп (при использовании в качестве переносного дозиметра)
Детектор газовой ионизации
- счетчик Гейгера
- Ионизационная камера
- Пропорциональный счетчик
Сцинтилляционный счетчик
Полупроводниковый детектор

Часто используемые детекторы для физики элементарных частиц и ядерной физики

Детектор газовой ионизации
- Ионизационная камера
- Пропорциональный счетчик
  - Многопроволочная пропорциональная камера
  - Камера дрейфа
  - Камера временной проекции
  - Детектор газообразных микрорельефов
- Трубка Гейгера – Мюллера
- Искровая камера
Твердотельные детекторы:
- Полупроводниковый детектор и варианты, включая ПЗС-матрицы
  Кремниевый вершинный детектор
- Твердотельный ядерный трековый детектор
- Черенковский детектор
  Кольцевой черенковский детектор (БОГАТЫЕ)
- Сцинтилляционный счетчик и связанные фотоумножитель, фотодиод, или лавинный фотодиод
  - Ячейка Лукаса
  - Детектор времени полета
- Детектор переходного излучения
Калориметр
Детектор микроканальных пластин
Детектор нейтронов

Теоретические модели детекторов частиц

Помимо экспериментальных реализаций, теоретические модели детекторов частиц также имеют большое значение для теоретической физики. Эти модели рассматривают локализованные нерелятивистские квантовые системы, связанные с квантовым полем. Они получили название детекторов частиц, потому что, когда нерелятивистская квантовая система измеряется в возбужденном состоянии, можно утверждать, что обнаружена частица. Первый пример модели детектора частиц в литературе датируется 80-ми годами, когда У. Унру представил частицу в ящике для исследования квантового поля вокруг черной дыры. Вскоре после этого Брайс ДеВитт предложил упрощение модели что привело к модели детектора Унру-ДеВитта .

Помимо приложений к теоретической физике, модели детекторов частиц связаны с такими экспериментальными областями, как квантовая оптика , где атомы могут использоваться в качестве детекторов квантового электромагнитного поля посредством взаимодействия света и материи. С концептуальной стороны детекторы частиц также позволяют формально определить понятие частиц, не полагаясь на асимптотические состояния или представления квантовой теории поля. Как выразился М. Скалли , с операциональной точки зрения можно утверждать, что «частица есть то, что обнаруживает детектор частиц» , что по существу определяет частицу как обнаружение возбуждений квантового поля.

Исследовательские детекторы частиц

Детекторы, предназначенные для современных ускорителей, огромны как по размеру, так и по стоимости. Термин счетчик часто используется вместо детектора, когда детектор считает частицы, но не разрешает их энергию или ионизацию. Детекторы частиц также обычно могут отслеживать ионизирующее излучение ( фотоны высокой энергии или даже видимый свет ). Если их основной целью является измерение излучения, их называют детекторами излучения , но, поскольку фотоны также являются (безмассовыми) частицами, термин детектор частиц по- прежнему корректен.

На коллайдерах

В ЦЕРН
- для БАК
  - CMS
  - АТЛАС
  - ЭЛИС
  - LHCb
- для ЛЕП
  - Алеф
  - Дельфы
  - L3
  - Опал
- для СПС
  - КОМПАС Эксперимент
  - Гаргамель
  - NA61/БЛЕСК
В Фермилабе
- для Теватрона
  - CDF
  - Д0
- Mu2e
В ДЕЗИ
- для ГЕРЫ
  - Н1
  - ГЕРА-Б
  - ГЕРМЕС
  - ЗЕВС
В БНЛ
- для RHIC
  - ФЕНИКС
  - Фобос
  - ЗВЕЗДА
В СЛАК
- для ПеП-II
  БаБар
- для SLC
  SLD
В Корнелле
- для CESR
  - Клео
  - CUSB
В ИЯФ
- для ВЭПП-2М и ВЭПП-2000
  - нет данных
  - СНД
  - CMD
- для ВЭПП-4
  КЕДР
Другие

MECO из Калифорнийского университета в Ирвине

Без коллайдеров

Антарктическая матрица детекторов мюонов и нейтрино (АМАНДА)
Криогенный поиск темной материи (CDMS)
Супер-Камиоканде
КСЕНОН

Слайды и текст этой презентации

Слайд 2Детекторы частиц (лат. detector — тот, кто раскрывает, обнаруживает)

— приборы для регистрации частиц (протонов, нейтронов, альфа-частиц, мезонов, электронов,

гамма-квантов и т. д.). Детекторы применяются в экспериментальных исследованиях на ускорителях заряженных частиц, на ядерных реакторах, при исследовании космических лучей, а также в дозиметрии и радиометрии и т. д.

Слайд 3Детекторы служат как для регистрации частиц, так и для

определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик.

Для регистрации частиц часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.
Часто в экспериментах приходится выделять «нужные» события на гигантском фоне «посторонних» событий, которых может быть в миллиарды раз больше. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, применяют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т. д. Часто используется селекция частиц по времени пролёта ими определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.

Слайд 4Детекторы делятся на два класса. В трековых детекторах прохождение

заряженной частицы фиксируется в виде пространственной картины следа (трека) этой

частицы; картина может быть сфотографирована или зарегистрирована электронными устройствами. В электронных детекторах прохождение частицы вызывает появление электрического импульса, который используется для регистрации и управления различными процессами. Методы и аппаратура для усиления, преобразования и регистрации электрических импульсов от электронных детекторах составляют предмет ядерной электроники. Прогресс в области электронных детекторов и в ядерной электронике приводит к тому, что всё б. ч. электронных детекторов позволяет получить помимо электрических импульсов и пространственную картину следа заряженных частиц. В эксперименте используются ЭВМ, которые не только запоминают и обрабатывают информацию, получаемую с электронных детекторов, но и управляют условиями опыта.

камера Дрейфовая камера. Вильсона камера Диффузионная камера Они играли важную роль

на ранних этапах развития ядерной физики, но в дальнейшем вытеснены другими трековыми детекторами.

Наибольше простой из них – ионизационная камера — представляет собой некоторый

объём газа с размещёнными в нём двумя электродами, между которыми приложено напряжение. Заряженных частица, проходя через газ, образует ионы и электроны, которые собираются на электродах, создавая в цепи камеры ток. Наибольше часто употребляются плоские и цилиндрические электроды, где анодом служит нить, а катодом внешний коаксиальный цилиндр, одновременно являющийся корпусом камеры. Ионизационные камеры применяются как для регистрации отдельных частиц, так и для измерения интегрированных потоков. Достоинства ионизационной камеры — простота, надёжность; недостаток — малый уровень сигнала, который определяется количеством пар ионов и электронов, образованных в газе заряженной частицей.

разрешение — минимальный интервал времени между прохождением двух частиц, которые регистрируются как отдельные события; Мёртвое время (время восстановления) — интервал времени после регистрации частицы, в течение которого детектор остаётся нечувствительным.

Слайд 4Детекторы делятся на два класса. В трековых детекторах прохождение

заряженной частицы фиксируется в виде пространственной картины следа (трека) этой

Ссылки

Мартин-Мартинес, Эдуардо; Монтеро, Мигель; дель Рей, Марко (25 марта 2013 г.). «Обнаружение волновых пакетов с помощью модели Унру-ДеВитта» . Физический обзор D. 87 (6): 064038. doi10.1103/PhysRevD.87.064038 .
^ Unruh, WG (15 августа 1976 г.). «Заметки об испарении черных дыр» . Физический обзор D. 14 (4): 870–892. doi10.1103/PhysRevD.14.870 .
Унру, Уильям Г .; Уолд, Роберт М. (15 марта 1984 г.). «Что происходит, когда ускоряющийся наблюдатель обнаруживает частицу Риндлера» . Физический обзор D. 29 (6): 1047–1056. doi10.1103/PhysRevD.29.1047 .
Ирвин, Дж. М. (май 1980 г.). «Общая теория относительности — обзор столетия Эйнштейна» . Вестник физики . 31 (4): 140–140. doi10.1088/0031-9112/31/4/029 . ISSN 0031-9112 .
Скалли, Марлан О. (2009), Муга, Гонсало; Рушхаупт, Андреас; дель Кампо, Адольфо (ред.), «Возвращение к уравнению Шредингера, зависящему от времени: квантово-оптические и классические пути Максвелла к волновому уравнению Шредингера» , Time in Quantum Mechanics — Vol. 2 , Берлин, Гейдельберг: Springer, стр. 15–24, doi10.1007/978-3-642-03174-8_2 , ISBN 978-3-642-03174-8, получено 19 августа 2022 г.

Джонс, Р. Кларк (1949). «Новая система классификации детекторов излучения». Журнал Оптического общества Америки . 39 (5): 327–341. doi10.1364/JOSA.39.000327 . PMID .
Джонс, Р. Кларк (1949). «Ошибка: максимальная чувствительность детекторов излучения». Журнал Оптического общества Америки . 39 (5): 343. doi10.1364/JOSA.39.000343 .
Джонс, Р. Кларк (1949). «Факторы качества для детекторов излучения». Журнал Оптического общества Америки . 39 (5): 344–356. doi10.1364/JOSA.39.000344 . PMID .

Электронные детекторы частиц

К электронным детекторам относятся полупроводниковый детектор, ионизационная камера и аналогичные газовые приборы.

Газовые ионизационные Д. ч. представляют собой, по сути дела, конденсаторы, в которых пространство между электродами заполнено к.-л. газом. При прохождении заряженных частиц в газовом объёме происходит ионизация вещества, заключённого между двумя электродами с разл. потенциалами, в результате чего в электрич. цепи возникает ток. При невысокой напряжённости электрич. поля ток в цепи не зависит от напряжения на конденсаторе и равен произведению заряда электрона на число пар ионов в единицу времени. Такие детекторы называются ионизационными камерами. При подборе соответствующего газа и конструкции ионизационные камеры способны регистрировать практически все виды излучений.

При более высоких значениях напряжённости поля возникает вторичная ионизация и ток на конденсаторе начинает зависеть от напряжения и становится пропорционален ионизационному эффекту, создаваемому частицами. Такие детекторы называются пропорциональными счётчиками, они применяются для измерения интенсивности излучения и определения энергии частиц. При ещё более высоких напряжённостях поля в конденсаторе возникает разряд при попадании частицы в детектор, и поэтому их называют газоразрядными счётчиками. Наиболее известным примером является Гейгера счётчик, используемый для регистрации $\alpha$-, $\beta$- и $\gamma$-излучений. Если в ёмкость между конденсаторами поместить сжиженный газ (обычно аргон или ксенон), то получится жидкий ионизационный детектор, который отличается хорошим энергетическим и пространственным разрешением. Такой детектор, называемый ионизационным калориметром, используется для регистрации релятивистских частиц.

Полупроводниковый детектор можно рассматривать как ионизационную камеру с твёрдым диэлектриком между электродами, однако в полупроводниках процессы образования и движения носителей заряда несколько иные, чем в газе. Ср. энергия, расходуемая на создание одной пары ионов в газе, составляет ок. 35 эВ для воздуха и ок. 27 эВ для аргона, в то время как для кремния и германия она равна 3,7 и 3,0 эВ соответственно. За счёт этого полупроводниковые детекторы имеют более высокое энергетическое и временнóе разрешение. Высокая эффективность регистрации быстрых частиц и $\gamma$-квантов полупроводниковым детектором обусловлена высокой плотностью вещества детектора (на три порядка выше, чем в газе) и возможностью создания объёмных детекторов (неск. сотен см3).

Литература

K. Групен. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск. Сибирский хронограф, 1999.
Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин, Web-публикация на основе учебного пособия Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин. «Частицы и ядра. Эксперимент», М.: Издательство МГУ, 2005. Архивная копия от 4 февраля 2009 на Wayback Machine
The Particle Detector BriefBook
How to Build a Cloud Chamber Архивная копия от 12 мая 2011 на Wayback Machine
Grupen, C. (June 28-July 10 1999). “Physics of Particle Detection”. AIP Conference Proceedings, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII. 536. Istanbul: Dordrecht, D. Reidel Publishing Co. pp. 3—34. DOI:10.1063/1.1361756.
Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений / В. К. Ляпидевский.. — М.: Атомиздат, 1973. — 179 с.

Николаев, В. А. Твердотельные трековые детекторы в радиационных исследованиях / Николаев, В. А.. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 284 с. — ISBN 978-5-7422-3530-9.

Пропорциональные и дрейфовые камеры / Международное совещание по методике проволочных камер (17 — 20 июня 1975 ; Дубна) .. — Дубна: Изд-во Объед. инст. яд. исслед., 1975. — 344 с. — ISBN 978-5-7422-3530-9.

Акимов, Ю. К. Газовые детекторы ядерных излучений. — Дубна: ОИЯИ, 2011. — 243 с. — ISBN 978-5-9530-0272-1.

Детекторы для экспериментов на встречных пучках

В физике элементарных частиц понятие «детектор» относится не только к различного типа датчикам
для регистрации частиц, но и к большим установкам, созданным на их основе и включающим в себя
также инфраструктуру для поддержания их работоспособности (криогенные системы, системы
кондиционирования, электропитания), электронику для считывания и первичной
обработки данных, вспомогательные системы (напр. сверхпроводящие соленоиды для создания внутри
установки магнитного поля). Как правило, такие установки сейчас создаются большими
международными группами.

Поскольку постройка большой установки требует значительных финансовых затрат и
человеческих усилий, в большинстве случаев она применяется не для одной определенной задачи,
а для целого спектра различных измерений. Основными требованиями, предъявляемыми к
современному детектору для экспериментов на ускорителе являются:

Высокая эффективность (малый процент потерянных частиц или частиц с плохо определенными параметрами)
Способность к разделению различных типов частиц, образующихся в распаде (пионов, каонов, протонов и т. д.)
Способность точного измерения импульса заряженных частиц для восстановления инвариантной массы нестабильных состояний.
Способность точного измерения энергии фотонов.

Для специфических задач могут потребоваться дополнительные требования, например, для экспериментов, измеряющих CP-нарушение в системе B-мезонов важную роль играет координатное разрешение в области взаимодействия пучков.

Условное изображение многослойного универсального детектора для ускорителя на встречных пучках.

Необходимость выполнения этих условий приводит к типичной на сегодняшний день схеме универсального многослойного детектора. В англоязычной литературе такую схему принято сравнивать с луковицей (onion-like structure). В направлении от центра (области взаимодействия пучков) к периферии типичный детектор для ускорителя на встречных пучках состоит из следующих систем:

Трековая система

Трековая система предназначена для регистрации траектории прохождения заряженной частицы: координат области взаимодействия, углов вылета. В большинстве детекторов трековая система помещена в магнитное поле, что приводит к искривлению траекторий движения заряженных частиц и позволяет определить их импульс и знак заряда.

Трековая система обычно выполняется на основе газовых ионизационных детекторов или полупроводниковых кремниевых детекторов.

Система идентификации

Система идентификации позволяет отделить друг от друга различные типы заряженных частиц. Принцип работы систем идентификации чаще всего заключается в измерении скорости пролета частицы одним из трех способов:

по углу излучения черенковского света в специальном радиаторе (а также по самому факту наличия или отсутствия черенковского излучения),
по времени пролета до точки регистрации,
по плотности удельной ионизации вещества.

Совместно с измерением импульса частицы в трековой системе это дает информацию о массе, а, следовательно, и о типе частицы.

Калориметр

Калориметр предназначен для измерения энергии частиц путём их полного поглощения. Это единственный способ регистрации фотонов (так как они не являются заряженными и, следовательно, не оставляют следов в трековой системе). Фотоны и электроны образуют электромагнитный ливень в веществе и, таким образом, полностью поглощаются. Выделенная энергия может быть измерена либо по величине вспышки сцинтилляционного света (сцинтилляционные калориметры), либо путём подсчета частиц ливня (семплинг-калориметры).

Мюонная система

Мюонную систему можно отнести к системе идентификации, но технически она реализуется отдельно во внешней части детектора. Чаще всего она встраивается в железо, замыкающее магнитный поток соленоида трековой системы. Мюонная система позволяет отделить мюоны по их способности проходить большие расстояния в веществе без поглощения (это является следствием того, что мюон не испытывает ядерного взаимодействия).

Список работающих или строящихся детекторов для ускорителей на встречных пучках

Детекторы на коллайдере LHC (CERN)
- ATLAS
- CMS
- LHCb
- Alice
Детекторы на коллайдере Tevatron
- CDF
- D0
Детекторы на электрон-позитронных коллайдерах
- BaBar (коллайдер PEP-II, SLAC)
- Belle (коллайдер KEKB, KEK)
- BES (коллайдер BEPC, Пекин)
- CLEO (коллайдер CESR)
- КЕДР (коллайдер ВЭПП-4, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск)
- КМД, СНД (коллайдер ВЭПП-2М, ВЭПП-2000, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск)