Wie werden Bahnen von Teilchen in Teilchenbeschleunigern verfolgt?

Wie können Sie die Bahnen dieser Teilchen verfolgen, ohne das Teilchen zu stören oder zu zerstören?

Du nicht. Tatsächlich sind die Pfade nicht "natürlich", sie werden im Rahmen des Messvorgangs erstellt.

Grundsätzlich verlassen sich die Detektoren darauf, dass die Teilchen so viel Energie haben, dass sie nicht zu sehr durch die Wechselwirkungen mit dem, was sie verwenden, um sie zu detektieren, gestört werden. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Erkennung selbst durchzuführen, aber die meisten von ihnen beruhen auf einer Art hypersensiblem Zustand, der durch den Durchgang eines geladenen Teilchens gestört wird.

Beispielsweise wird in der Blasenkammer flüssiger Wasserstoff in einen kritischen Zustand versetzt. Wenn ein geladenes Teilchen hindurchfliegt, ionisiert der schnelle Ladungsdurchgang den Wasserstoff, wodurch sich eine Blase bildet. Die Blase ist groß genug, dass Sie sie fotografieren können. Das Partikel wird durch die Wechselwirkung verlangsamt, aber das ist ok.

Jetzt müssen wir dieses Teilchen identifizieren . Normalerweise wird dies erreicht, indem die Kammer in einen wirklich starken Magneten eingesetzt wird. Der Magnet interagiert mit dem geladenen Teilchen und bewirkt, dass es sich zu einem Kreis krümmt. Der Radius dieses Kreises wird durch die Ladung (die in diesen Fällen im Allgemeinen 1 ist) und die Masse des Teilchens definiert. Durch die Messung des Radius kann man also die Masse ermitteln und somit das Teilchen identifizieren.

Schau dir das erste Bild an, das du gepostet hast. Sehen Sie eine Reihe von Kreisen in der Nähe der Mitte? Das ist ein einzelnes Teilchen. Als es zuerst abgespalten wurde, wanderte es in der Reaktion in der Mitte nach links. Der Magnet zog es in einen Kreis im Uhrzeigersinn. Als es sich im Kreis bewegte, reagierte es mit dem verwendeten Detektor und verlor Energie. Deshalb werden die Kreise immer kleiner.

Sie werden auch Linien bemerken, die perfekt gerade aussehen oder sehr leicht gekrümmt sind. Diese sind alle gekrümmt, nur so wenig, dass sie gerade aussehen. Das bedeutet, dass der Magnet ihren Weg nicht so stark beeinflusst, was im Allgemeinen bedeutet, dass sie schwerer sind (im Gegensatz zu einer geringeren Ladung).

Es gibt alle möglichen tatsächlichen Detektorsysteme, aber im Allgemeinen funktionieren sie alle ungefähr so. Sie können sogar fotografischen Film als Detektor verwenden, was früher ziemlich üblich war. Es gibt Systeme, die nach der winzigen Menge an Elektrizität suchen, die entsteht, wenn ein Teilchen vorbeifliegt, solche, die das Funkeln eines Kristalls verwenden, alle möglichen unterschiedlichen Konzepte, aber am Ende funktionieren sie alle im Grunde auf die gleiche Weise, um zu versuchen, zu identifizieren, was passiert.

Dies ist eine Illustration eines Schnitts des CMS-Detektors am CERN , der schließlich die Bilder für einzelne Proton-Proton-Wechselwirkungen im Zentrum des Detektors liefert.

Die tatsächliche Größe des Detektors ist hier zu sehen.

Der CMS-Detektor besteht aus einer Reihe unterschiedlicher Detektoren. Alle geladenen Spuren interagieren durch die elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Material des Detektors und hinterlassen einen Fußabdruck.

Von links beginnend sieht der Silizium-Tracker geladene Teilchen im Magnetfeld, mit einem Minimum an Materie im Weg, so dass Neutrale dort nicht interagieren und nicht viel Energie und Impuls verloren geht, wenn die geladenen ihre Spur verlassen. Es ist wie eine Reihe von Punkten. Gammas werden vom elektromagnetischen Kalorimeter eingefangen, geladene und neutrale Hadronen landen mit ihrer gesamten Energie im Hadronkalorimeter, die schwach wechselwirkenden Myonen durchdringen viel Masse, wie in der Abbildung zu sehen ist.

Alle Daten sind Erregungen, die von Tausenden von elektronischen Komponenten aufgezeichnet werden. Die Karte ihrer Geometrie befindet sich im Computer, so dass aus den Punkten im Silizium-Tracker Spuren rekonstruiert werden können, die deponierte gemessene Energie wird in den Kalorimetern gemessen. Alle diese Daten identifizieren eine Proton-Proton-Streuung, ein Ereignis. Die Häufung von Ereignissen ermöglicht die Untersuchung der Wechselwirkung von Proton auf Proton, um sie mit theoretischen Modellen zu vergleichen.

Die Aufzeichnung des Pfades, den Teilchen eines solchen Ereignisses genommen haben, ist in der von Ihnen angegebenen Referenz rekonstruiert.

Ich werde meine Antwort in zwei Teile unterteilen: Photonenspuren und Spuren massiver Teilchen.

Aber zuerst werden Partikelpfade immer mehr oder weniger genau rekonstruiert. Eine kontinuierliche Messung der Spuren ist nicht möglich. Spuren sind auch nützlich, aber letztendlich interessiert Sie mehr der Impuls von Teilchen.

• Photonen:

Wie Sie sagten, können Sie ein Photon nicht erkennen, ohne es zu zerstören. Also muss der Ursprung des Photons bekannt sein. Dies geschieht in der Analyse, indem andere Partikel und deren Zerfälle/Wechselwirkungen bekannt sind. Wenn eine Photonenerkennung in Zeit, Position und von einem Interaktionspunkt ausgeht, können Sie den Pfad des Photons rekonstruieren (der linear ist, sodass der Ursprungs- und Endpunkt ausreichen).

• Andere massive Teilchen:

Diese können mit Materie interagieren, ohne zerstört oder gestoppt zu werden. Das Teilchen gibt eine kleine Menge seiner Energie im Detektor ab, und durch einen Prozess erzeugt diese Energie ein Signal in einem positionsempfindlichen Detektor. Wenn Sie N Schichten von Detektoren haben, können Sie N Punkte haben, die Sie verwenden, um ein Bild der Spur zu erhalten. Diese Detektoren können "gasförmig" sein, zum Beispiel GEM oder Micromégas oder Multi-Wire-Kammer, oder aus Silizium bestehen, ich bin kein Experte für diese. Es gibt andere positionsempfindliche Detektoren, aber mit denen bin ich nicht vertraut.

AUSNAHME: Ich sagte, Sie können die Spuren nicht sehen, aber es gibt ein Gerät, das kontinuierliche sichtbare Spuren von Partikeln (außer Photonen) erzeugen kann, die Blasenkammer .

Ich hoffe, es macht deutlicher, wie Partikel erkannt werden und was der Unterschied zwischen der Erkennung von Photonen und anderen Partikeln ist.