Wie können wir Teilchen erkennen, die keine elektrische Ladung haben?

Es gibt 3 neutrale Teilchen, die auf der Zeitskala von Collider-Ereignissen stabil sind:$\gamma$,$n$,$\nu$/$\bar{\nu}$.

(Anti-)Neutrinos (hauptsächlich von Mesonen, Myonen und$Z$zerfällt) können nicht erkannt werden und entkommen. Bei Veranstaltungen wie:

$$X \rightarrow \mu + \nu_{\mu}$$

aus dem fehlenden (Quer-)Impuls kann auf das Neutrino geschlossen werden. In einem$pp$Stoß, bei dem zwei Partonen wechselwirken, ist der Längsimpuls im Anfangszustand nicht bekannt, aber der Querimpuls ist Null. Ein Myon wird mit großem transversalem Impuls detektiert, wobei ein „fehlender Impuls“ zurückbleibt, der dem Neutrino zugeschrieben wird.

Neutronen sind im Grunde ein Nichtfaktor in Collidern. Spezifische Experimente der Kernphysik mittlerer Energie betrachten Neutronen im Endzustand, normalerweise mit einer Empfindlichkeit gegenüber der Neutronenpolarisation. Siehe zum Beispiel http://galileo.phys.virginia.edu/Research/groups/INPP/gen/ndet/ndethome.html .

Die Photonendetektion ist ein wichtiger Teil von Collider-Experimenten, da viele interessierende Prozesse harte Teilchen produzieren$\gamma$'S. Aus diesem Grund haben die Außenschichten von Detektoren Bleiglas-Kalorimeter. Die neutralen Photonen durchqueren das Detektormaterial mit niedrigerem Z und interagieren mit dem Blei im$Pb$-Glas durch Paarbildung im starken elektrischen Feld in Kernnähe:

$$\gamma \rightarrow e^+e^-$$

gefolgt von Bremsstrahlung:

$$e \rightarrow e\gamma$$

und so weiter in einer elektromagnetischen Dusche. Energieverlust erfolgt über$dE/dx$Ionisation, die über beobachtbare Energien ungefähr konstant ist. Daher: Die Gesamtlänge der Spur geladener Teilchen ist proportional zu$E_{\gamma}$.

Da sich das Blei in transparentem Glas befindet, ist die$e^{\pm}$emittieren Tscherenkow-Licht. Die Gesamtmenge des emittierten Lichts ist proportional zur Spurlänge, und daher:$E_{\gamma}$.

Währenddessen lösen Myonen mit ihrer höheren Masse keine Schauer aus. Sie durchqueren das Kalorimeter und können auf ihrem Weg nach draußen mit Szintillatorpaddeln nachgewiesen werden.

Teilchenbeschleuniger suchen nach elektrischen Veränderungen, aber was wäre, wenn ein Teilchen keine Wirkung auf andere Teilchen oder eine elektrische Ladung hat, würden wir es nicht erkennen?

Die Wirkungen heißen Wechselwirkungen, es gibt vier Wechselwirkungskräfte. Auf Teilchenebene können wir die Gravitation ignorieren, aber es gibt das Elektromagnetische, das Schwache und das Starke, jedes mit seiner eigenen Stärke beschrieben . Wie wahrscheinlich es ist, dass ein Teilchen, das auf ein anderes Teilchen trifft, wechselwirkt, hängt von der Stärke der Kopplungen ab.

Nehmen Sie den LHC, wenn Protonen auf Protonen treffen, wird eine große Anzahl von Teilchen mit der vom Collider gelieferten Energie erzeugt, hauptsächlich aufgrund der starken Wechselwirkung, die Produktteilchen können geladen oder neutral sein, aber sie haben alle Energie. Die riesigen Detektoren sind so konstruiert, dass sie bei fortgesetzten Wechselwirkungen die Art der Teilchen ermitteln.

Es sind nur neutrale Teilchen, die nur mit der schwachen Wechselwirkung wechselwirken, die das Erfassungssystem ungemessen passieren können, und sie werden durch Energie- und Impulserhaltungsüberlegungen "erkannt". Die Neutrinos gehören zu dieser Kategorie, aber auch die Suche nach neuer Physik kann fehlende Energie und Impuls als Signal für etwas Neues betrachten.

Nehmen Sie den CMS-Detektor:

Die Figur des Mannes vermittelt ein Gefühl für die Größe, und die Komplexität ist offensichtlich. Deshalb braucht es Tausende von Menschen aus der ganzen Welt, um solche Experimente aufzubauen, zu warten und zu analysieren. Wie die Partikel detektiert werden, wird im Link analysiert. Das Higgs-CMS-Papier wurde von über 5000 Personen verfasst .

Hier kann man eine Liste von realen Ereignissen sehen, die mit dem Detektor gemessen wurden.

In dieser meiner Antwort auf eine verwandte Frage gehe ich darauf ein, wie die Detektoren in aktuellen LHC-Experimenten funktionieren. Auch hier .