Wie können wir Partikel während Experimenten „sehen“/messen/detektieren?

Kurz: Die Physiker analysieren die letzten Teilchen der Zerfallskette und leiten daraus die Eigenschaften der interessierenden Teilchen ab.

Genauer gesagt: Die Teilchendetektoren bestehen aus verschiedenen Teildetektoren, die verschiedene Größen messen, wie den Weg geladener Teilchen ("Tracking"), die Flugzeit, den Energieverlust und die Gesamtenergie. Aus diesen Größen werden Partikelkandidaten erstellt. Das heißt, Algorithmen versuchen, die Masse des Partikels abzuschätzen, das eine Spur verursacht hat. Dies kann durch die Kombination aller zuvor genannten Mengen (und einiger mehr) erreicht werden.

Danach hat man eine Liste der detektierten Teilchen im Endzustand, deren Impuls, Energie und Masse. Je nach Experiment können sie Elektronen, Myonen, geladene Pionen, geladene Kaonen, Protonen und Photonen unterscheiden. Alle anderen Partikel müssen rekonstruiert werden. Zum Beispiel ein neutraler$D$-Meson zerfällt in a$K^+ \pi^-$Paar. Aus der Energie- und Impulserhaltung erhält man die Energie und den Impuls der$D$. Das „richtige“ Kaon und Pion findet man, indem man alle Kombinationen von Kaonen und Pionen durchprobiert und nur diese Kombinationen beibehält, die einer bestimmten Anforderung entsprechen, zB der Masse von a$D$die aus Energie berechnet werden kann$E$und Schwung$p$wie$m_D = \sqrt{(E_K + E_\pi)^2 - |\vec{p}_K + \vec{p}_\pi|^2}$. Dies kann mehrere Male wiederholt werden, wobei die Zerfallskette rückwärts bis zum interessierenden Teilchen geht.

Natürlich gibt es fortgeschrittenere Techniken, aber das sollte Ihnen die Prinzipien vermitteln.

Diese Antwort ist parallel zu der von Gnorkx zu lesen.

Dies ist einer der neuesten Teilchendetektoren, CMS :

CMS-Detektor in einer Kaverne 100 m unter der Erde am Large Hadron Collider des CERN.

Beachten Sie, wie winzig der Mann auf dem Boden ist.

CMS ist ein Teilchendetektor, der entwickelt wurde, um eine Vielzahl von Teilchen und Phänomenen zu sehen, die bei hochenergetischen Kollisionen im LHC entstehen. Wie eine zylindrische Zwiebel messen verschiedene Schichten von Detektoren die verschiedenen Teilchen und verwenden diese Schlüsseldaten, um ein Bild der Ereignisse im Herzen der Kollision zu erstellen.

Hier ist ein Ereignis von diesem Detektor nach der in der anderen Antwort besprochenen Verarbeitung:

Reales Proton-Proton-Kollisionsereignis bei 13 TeV im CMS-Detektor, bei dem zwei hochenergetische Elektronen (grüne Linien), zwei hochenergetische Myonen (rote Linien) und zwei hochenergetische Jets (dunkelgelbe Kegel) beobachtet werden. Das Ereignis zeigt Eigenschaften, die von der Higgs-Boson-Produktion über die Vektorboson-Fusion mit anschließendem Zerfall des Higgs-Bosons in vier Leptonen erwartet werden, und ist auch konsistent mit den Hintergrundprozessen der Standardmodellphysik.

Dasselbe Ereignis, das die Detektorzwiebelpegel anzeigt:

Diese Antwort von mir könnte auch relevant sein .

Hier ist ein Blogeintrag einer Tour durch die Kaverne und den Detektor.

Haftungsausschluss: Ich bin kein Teilchenphysiker, daher kann es sein, dass ich einige Details zum CMS-Experiment oder zur Teilchenphysik falsch verstehe, aber die Detektorphysik sollte in Ordnung sein.

Die vorherigen Antworten haben die Frage gut beantwortet, wie der Fußabdruck der endgültig detektierten Partikel verwendet werden kann, um auf die Eigenschaften der anfänglich interessierenden Partikel zu schließen. Ich werde versuchen, ein bisschen mehr Informationen über den Prozess der Umwandlung des Vorhandenseins eines Partikels in ein nachweisbares Signal zu geben, das tatsächlich auf einem Computerbildschirm dargestellt werden kann.

Ich denke, eines der grundlegendsten Beispiele für die Partikeldetektion ist die Einzelphotonendetektion mit einer Fotodiode. Nehmen Sie eine Einzelphotonen-Avalanche-Diodezum Beispiel. Abstrakt trifft ein einzelnes Photon auf das Halbleitermaterial und wird absorbiert, um ein angeregtes Elektron zu erzeugen. Das Elektron wandert dann durch den Halbleiter (angetrieben durch ein elektrisches Feld, das durch die Diodenvorspannung erzeugt wird) und schlägt andere Elektronen auf seinem Weg frei, was einen kaskadierenden Strom verursacht, der immer größer wird. Der Experimentator leitet diesen Strom dann durch einen Widerstand (Transimpedanzverstärker), um eine Spannung zu erzeugen, und misst diese Spannung dann mit einer Art Oszilloskop oder Voltmeter. Immer wenn der Experimentator eine Spannungsspitze sieht, kann er auf das Vorhandensein eines Photons am Ort des Detektors schließen. Hier ist ein wenig mehr Information über die Quantenmechanik der Photodetektion .

Es gibt eine große Auswahl an verschiedenen Arten von Detektoren , aber die grundlegende Idee ist im Kern, dass sie einen Prozess verwenden, bei dem das nachweisbare Teilchen* in ein Elektron oder einen Elektronenstoß umgewandelt wird, der dann in einen nachweisbaren Strom oder eine nachweisbare Spannung verstärkt und dann verwendet wird diese Spannung, um auf das Vorhandensein (und manchmal auf die Energie) des interessierenden Teilchens zu schließen. Wenn Sie viele solcher Detektoren in einem bestimmten räumlichen Muster platzieren, können Sie außerdem noch mehr Informationen über das nachweisbare Teilchen (z. B. seine Flugbahn oder seinen Impuls) erhalten, indem Sie das räumliche Muster von Detektoren betrachten, die von dem erkannten Teilchen „beleuchtet“ werden.

Im Grunde genommen sind die Rohdaten des Experimentators für jedes „Ereignis“ (Partikelschauer von kollidierenden Protonen) eine Zeitspur der Spannung, die von jedem der Millionen** von Einzelpartikeldetektoren kommt, aus denen der CMS-Detektor besteht. Dann werden in einem extrem rechenintensiven Analyseprozess alle diese Signalkanäle analysiert und zu einem Bild zusammengesetzt, das die Experimentatoren verstehen und weiter analysieren können, um festzustellen, welche Art von Wechselwirkung den detektierten Teilchenschauer erzeugt hat. Im Fall von CMS erfordert dies alles die Arbeit von Tausenden von Wissenschaftlern und Ingenieuren.

*Ein kurzer Scan des CMS-Wikis sagt mir, dass es zum Beispiel Detektoren für Elektronen, Myonen, Photonen, Hadronen (Protonen, Neutronen, Kaonen, Pionen) gibt.

**Woah, ich habe gerade erfahren, aus wie vielen Detektoren oder „Pixeln“ der Detektor besteht, das ist eine Menge!