Wie erzeugen Tracking-Detektoren in Teilchenbeschleunigern die schönen Bilder, die wir sehen?

Zunächst einmal sind die Unschärferelation und Beobachtereffekte völlig irrelevant. Die Tracking-Geräte in modernen Detektoren sind groß genug, um fest im Reich der klassischen Physik zu sein. Jegliche Unsicherheit in der Wellenfunktion des Detektors ist im Vergleich zur Größe und Energie des Geräts selbst vernachlässigbar, und die Wirkung der detektierten Teilchen auf den Tracker ist nicht mehr als der Verlust einiger Elektronen hier und da. Zugegeben, bei Billionen von Kollisionen könnte dies zu einem Problem werden, aber Tracker sind so konstruiert, dass sie dieser Art von Schaden standhalten. Sie haben elektrische Verbindungen, um verlorene Elektronen wieder aufzufüllen, und sie bestehen aus dichten Materialien, die ihre Struktur behalten, selbst wenn der eine oder andere Atomkern durch Strahlung in einen anderen umgewandelt wird.

Wie diese Ortungsgeräte tatsächlich funktionieren: Es gibt verschiedene Arten. Jeder von ihnen zeichnet eine bestimmte Art von Informationen auf und ist nur für bestimmte Partikel empfindlich. Die Tracker sind um die Beamline (den Weg durch die Mitte des Detektors, wohin die ankommenden Partikel gehen) so angeordnet, dass Wissenschaftler die Signatur eines bestimmten Partikels identifizieren können, indem sie die Ausgänge verschiedener Trackertypen gegenprüfen. Es sieht im Grunde wie dieses Bild aus Wikipedia aus:

(das ist der ATLAS - Detektor).

Ein typischer Detektor umfasst die folgenden Arten von Komponenten, die von innen nach außen arbeiten:

• Ein Silizium-Tracker besteht aus kleinen "Paneelen" aus Silizium, die in konzentrischen Schichten um die Strahlführung herum angeordnet sind. Ein bei einer Kollision erzeugtes geladenes Teilchen passiert eine dieser Platten und schlägt einige Elektronen aus dem Leitungsband des Siliziums (über die elektromagnetische Wechselwirkung), wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird. Jedes Panel ist mit einem eigenen Kabel verbunden, und das andere Ende dieses Kabels läuft zum Ausleseschaltkreis des Detektors (eine Schnittstelle zwischen dem Detektor selbst und den CERN-Computern), sodass der Computer genau weiß, welche Panels ausgehenden Partikeln ausgesetzt waren teilweise, wie viel.

  Silizium-Tracker messen den Impuls eines Teilchens nicht, aber sie verändern ihn auch nicht sehr stark. Sie konzentrieren sich mehr darauf, die Position genau zu messen . Da die einzelnen Siliziumplatten ziemlich klein sind – vielleicht einige Zentimeter an einer Seite – erhält der Computer Zugriff auf genaue Informationen über die Position des Partikels, als es diesen Tracker passierte. Und mit sechs oder sieben konzentrischen Siliziumschichten im Abstand von wenigen Zentimetern kann man den Weg des Teilchens ziemlich gut rekonstruieren. Sie können eine Visualisierung der vom Silizium-Tracker empfangenen Informationen in der Mitte dieses Bildes von CMS sehen , die roten Blöcke in der Mitte:

  

  In diesem Stadium ist es unmöglich zu wissen, welche Art von Teilchen der Tracker sieht, aber nur geladene Teilchen interagieren mit dem Silizium, also muss alles, was eine Spur hinterlässt, geladen sein: wahrscheinlich ein Elektron, ein Myon oder ein Lichthadron.

• Als nächstes kommen die Kalorimeter , massive Metallblöcke, die bestimmte Teilchen absorbieren und ihre Energien und Impulse messen sollen. Es gibt normalerweise zwei Arten: elektromagnetische Kalorimeter, die Lichtteilchen absorbieren, die elektromagnetisch wechselwirken (Elektronen und Photonen), und hadronische Kalorimeter, die Teilchen absorbieren, die über die starke Kraft wechselwirken (fast alles andere).

  Kalorimeter sind zu dünnen "Keilen" geformt, die auf den Wechselwirkungspunkt zeigen, wie Sie auf dem ersten Bild auf dieser Seite sehen können (siehe gelbe Schicht). Jedes Teilchen gibt seine Energie in einen Keil des Kalorimeters ab, der der Richtung entspricht, in der es den Silizium-Tracker verlassen hat. Aber die Kalorimeter detektieren keine einzelnen Partikel; Sie können nur erkennen, wie viel Energie in einen bestimmten Keil deponiert wurde, und erhalten dadurch eine Verteilung der Richtungen, in denen Energie aus der Kollision austrat. Die abgegebene Energiemenge lässt sich ermitteln, indem gemessen wird, wie stark das Kühlsystem arbeiten muss, um das Kalorimeter auf konstanter Temperatur zu halten.

  Wenn Sie sich nur die von den Kalorimetern gesammelten Daten ansehen würden, würden Sie so etwas wie die gelben Blöcke in diesem Bild erhalten :

  

• Außerhalb der Kalorimeter enthalten moderne Detektoren ein Myonenspektrometer , das ein bisschen wie der Silizium-Tracker funktioniert, aber in einem viel größeren Maßstab, indem es gekreuzte Metallstreifen anstelle von Silizium verwendet. Das Myonenspektrometer zeichnet die Spuren von Myonen auf, indem es überprüft, welche Streifen elektrische Signale empfangen, wenn die Myonen sie passieren, und es kann ihre Impulse bestimmen, da sich der gesamte Detektor in einem Magnetfeld befindet, wodurch die Pfade der Myonen gekrümmt werden. Der Krümmungsradius gibt an, wie viel Impuls das Teilchen hatte.

An diesem Punkt wurde alles außer Neutrinos entdeckt, und Sie können nichts gegen die Neutrinos tun, also lassen wir sie einfach gehen.

Wie ich bereits erwähnt habe, werden die elektrischen Signale von den Komponenten in Ausleseschaltungen eingespeist, die sie in digitale Signale umwandeln, die dann an den Computer weitergeleitet werden. Ein Detektor sieht Tausende von Kollisionen pro Sekunde und sammelt eine enorme Datenmenge über jede einzelne, sodass nicht alle gespeichert werden können. Stattdessen werden die Signale durch mehrere Ebenen von Triggersystemen gesendet. Die erste Ebene kombiniert einfach die Messwerte von verschiedenen Teilen des Detektors und wirft alle Erkennungen weg, die „langweilig“ sind – zum Beispiel hat keiner der Tracker Messwerte erhalten oder die Messwerte überschreiten einen bestimmten Schwellenwert nicht, oder was auch immer der Detektor ist Team entscheidet, ist nicht wichtig. (Sie durchlaufen einen langen Analyseprozess, um zu entscheiden, was nicht wichtig ist.) Danach alles, was nicht wichtig ist. t eliminiert wurde, wird für eine differenziertere Analyse an den CERN-Computercluster gesendet. Was am Ende herauskommt, sind Zahlenreihen, die die von jeder der Detektorkomponenten gemessene Signalstärke angeben, aber nur, wenn alle diese Signalstärken zusammen ein interessantes Ereignis darstellen.

Wenn Sie Zugriff auf diese Signalstärken haben, können Sie sie in ein Computerprogramm einspeisen, das ein Bild des Detektors erstellt und die entsprechenden Signale darüber zeichnet. Von dort kommen die Partikelspuren, die Sie gesehen haben: Das Detektor-Presseteam (oder andere, die Zugang zu diesen Rohmessungen haben) wird die am besten aussehenden herausziehen und computergenerierte „Bilder“ veröffentlichen, die die Messungen zeigen.

OK, ich habe zusätzliches Material auf der CERN-Website gefunden, das den Tracker-Detektor und die Siliziumpixel und Siliziumstreifen in den Detektoren weiter beschreibt. Faszinierendes Zeug.

Der erste Artikel besagt, dass jede Messung des Detektors auf 10 Mikrometer genau ist. Scheint wie große Genauigkeit, esp. für ihre Zwecke. Ich berechne jedoch, dass ungefähr 100.000 Atome oder ungefähr 10.000.000 Gammastrahlenwellenlängen in diese Art von räumlicher Variation passen würden - also scheint das Unsicherheitsprinzip bei dieser Art von Messungen ziemlich intakt zu sein ... dh keine sehr genaue Messung von beiden Position und Impuls eines einzelnen Teilchens mit geringer Masse, wie ein Elektron, nehme ich an, es sei denn, es war ein Teilchen mit höherer Masse (wie ein Higgs-Boson)?