7. Ускорители. Детекторы

    В 30-е годы XX века считалось, что вещество состоит из трех элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Развитие техники ускорения и детектирования частиц привело к тому, что к середине 60-х годов XX века число обнаруженных элементарных частиц перевалило за 100.
    Новые «элементарные» частицы получались в результате взаимодействия ускоренных на ускорителях частиц или частиц космических лучей с частицами вещества.
    Основными источниками пробных частиц в субатомных экспериментах являются ускорители.
    Ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками (энергией, интенсивностью, пространственными размерами и т. д.). Для ряда экспериментов необходим пучок поляризованных частиц, т. е. частиц, спины которых направлены определенным образом относительно их импульса. В ускорителях, предназначенных для изучения частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны).
    Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц приготовить проще всего. Есть ускорители более тяжелых частиц – дейтронов (ядер дейтерия ²H), α‑частиц (⁴He), а также ионов других ядер, в том числе и тяжёлых, таких как свинец. Современные ускорители высокой энергии имеют системы генерации пучков вторичных частиц – каонов (K⁺K⁻), пионов (π^±), мюонов (μ^±), нейтрино (ν), антинейтрино () и др.
    В ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы.
    Полученные на ускорителе пучки направляются на неподвижную мишень (рис. 8, вверху). Характер взаимодействия частиц определяется энергией столкновения частиц в системе центра инерции. Происходит это потому, что налетающая частица вносит в систему наряду с энергией и определенный импульс. Поэтому при столкновении релятивистской частицы с покоящейся  в лабораторной системе частицей основная часть энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции. В связи с этим была выдвинута и реализована идея встречных пучков — столкновение двух пучков частиц, движущихся навстречу друг другу с одинаковыми энергиями и импульсами (рис. 8, внизу).

Рис. 8. Схематическое изображение ускорителей с неподвижной мишенью (верхний рисунок) и коллайдеров (нижний рисунок).

     Информативность любого эксперимента определяется возможностями тех детекторов, которые в нём используются. История ядерной физики и физики частиц это, по существу, история создания новых методов регистрации частиц. Создание новых методов детектирования частиц неоднократно отмечалось Нобелевскими премиями.
    Детекторы 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. Часто используется селекция частиц по времени пролёта ими определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.

     Детекторы частиц, в которых можно визуально наблюдать траектории заряженных частиц сыграли важную роль в изучении строения вещества. В первую очередь к ним относятся камера Вильсона и пузырьковая камера.
    Камера Вильсона была изобретена Ч. Вильсоном в 1910 г. В камере Вильсона треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации пара на ионах газа, образованных заряженной частицей, проходящей через камеру. В 1927 г. Ч.Вильсон получил Нобелевскую премию по физике за создание метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц с помощью конденсации пара.
    На рис. 9 показана полученная в камере Вильсона фотография реакции ¹⁴N + α → ¹⁷O + p, которую осуществил в 1919 г. Э. Резерфорд, доказав, что в состав атомного ядра входят протоны.

Рис. 9. Следы частиц реакции ¹⁴N + α → ¹⁷O + p в камере Вильсона.

    В пузырьковой камере используются свойства перегретой жидкости образовывать пузырьки пара вдоль траектории заряженной частицы. Перегретое состояние достигается быстрым (5–20 миллисекунд) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится способной зарегистрировать заряженные частицы, образовавшиеся в её объеме. После фотографирования треков давление в камере поднимается, пузырьки пара схлопываются, и камера вновь готова к работе. Пространственное разрешение траектории частиц в пузырьковой камере
~0.1 мм. В 1960 г. Д. Глэзер был удостоен Нобелевской премии по физике за изобретение пузырьковой камеры.

Рис. 10.  Взаимодействие π⁻ + p →  Λ + K⁰ в пузырьковой камере.

    Для измерения импульсов заряженных частиц камеру Вильсона и пузырьковую камеру помещают в магнитное поле. На рис. 10, 11, 14, 15 приведено несколько примеров регистрации событий взаимодействия и распада частиц в пузырьковой камере.
    При взаимодействии π⁻-мезона с протоном p (точка 1) в пузырьковой камере образуются две нейтральные странные частицы Λ и K⁰:

π⁻ + p →  Λ + K⁰.

    Они распадаются в результате слабого взаимодействия:

Λ →  π⁻ + p (точка 2), K⁰ →  π⁺ + μ⁻ + _μ (точка 3).

    Образующийся отрицательный мюон в свою очередь также в результате слабого взаимодействия распадается:

μ⁻ →  е⁻ + _е + ν_μ (точка 4).

    Траектории заряженных частиц искривляются под действием приложенного магнитного поля. Особенно это отчетливо видно у электрона, радиус кривизны траектории которого уменьшается по мере того как он теряет энергию. Нейтральные частицы, которые не оставляют следов в пузырьковой камере показаны штриховыми линиями.

Рис. 11. Распад метастабильных частиц в пузырьковой камере.

    На фотографии, полученной в пузырьковой камере (рис. 11),  виден распад пяти различных элементарных частиц. В точке А положительно заряженный K-мезон распадается на три π-мезона
K⁺ →  π⁺π⁻π⁺. В точке В один из этих π⁺-мезонов распадается на мюон μ⁺ и нейтрино π⁺ → μ⁺ + ν_μ. В точке С мюон μ⁺ распадается на позитрон и два нейтрино μ⁺ →  е⁺ + _μ + ν_е . В точке D Ξ⁻-частица распадается на Λ‑частицу и π⁻-мезон Ξ⁻ →  Λ + π⁻. В точке Е нейтральная частица Λ‑гиперон распадается на протон и π⁻-мезон Λ →  p + π⁻.