Вокруг Света 2007 № 07 (2802) - [43]

Впрочем, детекторам частиц нашлось немало работы и без радиоизотопов. Чувствительность детекторов высокоэнергетических фотонов, применяющихся в ускорительных экспериментах, на порядки выше, чем у обычной пленки. На их основе удалось создать малодозные цифровые рентгенографические установки, которые сейчас получили повсеместное распространение. При низкой дозе облучения они обладают очень высоким пространственным разрешением и совершенно недостижимым на обычных пленках количеством градаций яркости. Благодаря этому на одном и том же снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать структуру и костей, и мягких тканей.

Взять с поличным

Но разогнать и столкнуть частицы — это только полдела. Необходимо еще и зарегистрировать рожденные в столкновении вторичные частицы. Этим занимаются не сами ускорители, а другие научные аппараты — детекторы.

На заре ядерной физики для регистрации частиц использовались люминесцентные экраны и фотоэмульсии. Люминесцентные экраны похожи на экран телевизора: частица попадает в какую-то точку экрана, выделяет там энергию, которая затем превращается в короткую вспышку света. С помощью этого нехитрого приспособления можно было наблюдать за рассеянием частиц в реальном времени.

Фотоэмульсии удобны для наблюдения за частицами космических лучей. Запущенная на аэростате стопка фотоэмульсионных пластинок в течение долгого времени подвергается бомбардировке космическими частицами, а после проявки изучаются оставленные ими треки, которые образуются из-за ионизации атомов вдоль пути энергичной заряженной частицы. Огромное преимущество такого метода регистрации — возможность видеть ход реакции, пусть и не в реальном времени. Вот трек входящей частицы, здесь произошло столкновение, а вот следы вторичных частиц. Изучая длину и толщину треков и используя законы механики, можно узнать, что это за частицы, как они взаимодействуют и сколько времени живут до распада.

Следующим шагом стало изобретение пузырьковой камеры. В ней под высоким давлением находится сжиженный газ в состоянии, близком к закипанию. При резком понижении давления жидкость становится термодинамически неустойчивой и начинает вскипать. Если в этот момент сквозь камеру пролетит заряженная частица, то первые пузырьки появятся как раз на оставленном ею ионизационном следе. Спустя долю секунды давление возвращают в норму, жидкость больше не стремится закипеть, но вдоль всего трека остается четкий след из пузырьков. Тут же делается фотоснимок всей камеры, и спустя еще мгновение пузырьки рассасываются — камера готова к очередному циклу.

Снимок пузырьковой камеры, где виден процесс рождения и распада первого зарегистрированного омега-гиперона. K--мезон взаимодействует с протоном, образуются омега--гиперон и два мезона (K0 и K+), которые далее распадаются в другие частицы. Справа: расшифровка снимка. Траектории нейтральных частиц, невидимых в пузырьковой камере, отмечены пунктиром

Пузырьковая камера позволяет визуализировать треки в реальном времени, однако ее главный недостаток заключается в том, что она должна работать непрерывно, цикл за циклом, независимо от того, пролетели частицы или нет. В подавляющем большинстве случаев на фотографиях ничего нет, а поиск какого-то редкого процесса на десятках тысяч снимков становится очень трудоемким занятием.

Чтобы избавиться от бесполезных циклов работы, физики изобрели искровую камеру. Она тоже визуализирует траектории частиц, но иным, электрическим, способом. В отличие от пузырьковой камеры, ее можно запускать только тогда, когда гарантированно пролетает какая-то частица, что позволяет избавиться от «холостых» снимков. Именно использование искровой камеры позволило в 1962 году открыть мюонное нейтрино.

Современные универсальные детекторы, применяемые на больших ускорителях, устроены намного сложнее. Их главная черта — многослойность. Все вместе разные компоненты детектора извлекают из пролетающих частиц максимум информации: координаты точки рождения, скорость, импульс, энергию и тип. Все это необходимо для понимания того, что именно произошло с частицами из встречных пучков в момент их столкновения.

Ближе всего к точке столкновения расположен вершинный детектор. Его задача — с максимальной точностью восстановить первые сантиметры траектории заряженной частицы. Имея несколько таких траекторий от одного столкновения, можно проследить их до пересечения и с субмиллиметровой точностью восстановить вершину — точку в пространстве, в которой произошло рождение частиц.

Следующими идут трековые детекторы. Они измеряют искривление траектории в магнитном поле и позволяют 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.

Следующим слоем расположены черенковские детекторы, которые измеряют скорость пролетевшей заряженной частицы. Зная импульс и скорость, можно затем вычислить массу частицы и определить ее тип. Тут главная проблема состоит в том, что для всех рождающихся частиц скорость очень близка к световой. Требуется устройство, которое надежно различает, например, 95 и 99% скорости света, что при равных импульсах отвечают частицам с массами, различающимися вдвое.