1. DETEKTORY CZĄSTEK ELEMENTARNYCH  

Jednym ze sposobów poznawania praw rządzących najmniejszymi składnikami materii jest zderzenie ze sobą rozpędzonych cząstek. Aby móc badać najdrobniejsze szczegóły struktury materii potrzebne są wiązki o bardzo dużych energiach rzędu setek GeV. Początkowo jedynym źródłem takich wysokoenergetycznych cząstek było promieniowanie kosmiczne. Jednak współczesne eksperymenty fizyki wysokich energii prowadzone są przy użyciu dużych akceleratorów i złożonych systemów detekcyjnych. Detektory cząstek przy akceleratorach umożliwiają:

1.     Wyznaczanie torów i pędów cząstek.

2.     Wyszukiwanie cząstek pochodzących z tego samego oddziaływania.

3.      Określanie rodzajów cząstek.

        Nie istnieje detektor, który umożliwia jednoczesne zbadanie tych wszystkich właściwości cząstek, dlatego w doświadczeniach stosuje się różne rodzaje układów detekcyjnych, mogących rejestrować: położenia, czasy przybycia lub rodzaje naładowanych cząstek. Do wyznaczania torów oraz pędów wykorzystuje się detektory, które pozwalają dokładnie określić położenie cząstek. Pęd określa się badając odchylenie cząstki w polu magnetycznym. Detektory mogące dokładnie wyznaczać czas znajdują zastosowanie przy znajdowaniu cząstek pochodzących z tych samych oddziaływań. Rodzaj cząstki określa się na podstawie jej masy spoczynkowej, którą z kolei można wyznaczyć wykorzystując układ detekcyjny umożliwiający jednoczesne wyznaczenie prędkości i pędów cząstek.

         Detekcja cząstek naładowanych możliwa jest dzięki temu, że cząstki te przechodząc przez dany ośrodek materialny, zdradzają swoją obecność na jeden ze sposobów jonizując atomy ośrodka lub poprzez emisję fotonów. Emisja fotonów może być wynikiem:

·       wzbudzenia atomów ośrodka – wzbudzenie atomów niektórych substancji np.: prostych kryształów nieorganicznych (NaI), cieczy, plastyków organicznych, powoduje pojawienie się luminescencji (scyntylacji), co można rejestrować przy pomocy fotopowielacza.

·        promieniowania Czerenkowa – emitowane  jest przez cząstkę poruszającą się w danym ośrodku z prędkością większą niż światło.

·        promieniowania przejścia –  emitowane jest przez cząstkę na granicy dwóch ośrodków.

·        promieniowania hamowania – jest wysyłane przez cząstkę zwalniającą w danym ośrodku.

        Jonizacja polega na wybijaniu przez cząstki elektronów z atomów ośrodka, w wyniku czego powstają dodatnie jony oraz swobodne elektrony. W oparciu o to zjawisko działają następujące detektory naładowanych cząstek:

1.     Detektory gazowe – jonizacja gazu zachodząca pomiędzy dwiema elektrodami utrzymywanymi na wysokim potencjale powoduje wyładowanie dające możliwy do zarejestrowania impuls elektryczny. Należą do nich:

  1. licznik Geigera–Müllera – rejestruje jedynie fakt przejścia cząstki przez dany ośrodek.

  2. licznik proporcjonalny – szerzej opisany w rozdziale 2.  

  3. komora wielodrutowa – zbudowana z wielu pojedynczych liczników proporcjonalnych.  

  4. komora iskrowa – zawiera 2 grupy elektrod, do których w odpowiednim czasie po przejściu cząstki przykłada się krótkotrwały (ok. 10–7 s) impuls wysokiego napięcia, który powoduje powstawanie wyładowań elektrycznych pomiędzy elektrodami.

2.  Detektory półprzewodnikowe – zbudowane z materiału półprzewodnikowego (np. german, krzem). Detektory te są dużymi diodami spolaryzowanymi zaporowo. Wysokie napięcie polaryzujące detektor powoduje dryf ładunków i pojawienie się sygnału prądowego.

3.  Licznik scyntylacyjny – detektor o najkrótszym czasie detekcji (około 5ns). Ośrodkiem czynnym tego detektora jest scyntylator, który jest połączony z fotopowielaczem.

4.  Licznik Czerenkowa – fotony promieniowania Czerenkowa są rejestrowane przez czułe liczniki gazowe lub przez fotopowielacze.

5.  Detektory promieniowania przejścia – detektory te działają w oparciu o zjawisko promieniowania przejścia. Mogą identyfikować cząstki o energiach większych od 10GeV.

6.   Detektory kalorymetryczne:

  1. elektromagnetyczne - służą do pomiarów energii pozytonów, elektronów oraz fotonów. Elektrony i pozytony są odchylane przez pola elektryczne atomów ośrodka, co powoduje wypromieniowanie fotonów. Z fotonów natomiast powstają pary elektron-pozyton. Te dwa procesy sprawiają, że powstaje kaskada elektromagnetyczna. 

  2. hadronowe - służą do pomiarów całkowitej energii hadronów, które oddziałują z gęstym materiałem kalorymetru, wywołując kaskadę cząstek wtórnych. Detektor ten mierzy energię zdeponowaną przez naładowane cząstki kaskady.

7.   Detektory śladowe:

  1. emulsja fotograficzna  (najprostszy detektor wizualny) –     proces jonizacji sprawia, że po wywołaniu kliszy widoczne jest na niej zaciemnienie wzdłuż toru przelatującej przez detektor cząstki.                                      

  2. komora Wilsona (mgłowa) – zawiera przechłodzony gaz, w którym na zjonizowanych centrach kondensują się krople, tworząc tor cząstki.  

  3. komora pęcherzykowa – tor cząstki tworzą pęcherzyki gazu w przegrzanej cieczy.  

  4. komora strumieniowa – obserwowane są w niej wyładowania elektryczne wzdłuż toru cząstki.                  

[1]

       Jednymi z największych ośrodków fizyki cząstek na świecie są:

  1.   CERN (Genewa, Szwajcarja) - eksperymenty przy akceleratorze elektronowo-pozytonowym LEP (Large Electron Positron collider), o energiach dostępnych w środku masy dwóch zderzanych cząstek oraz . Eksperymenty te badały oddziaływania słabe oraz słuszność teorii Modelu Standardowego fizyki cząstek, poprzez zderzenia cząstek materii z ich odpowiednikami antymaterii tj. zderzenia elektron-pozyton.

Rysunek 1.1 Zdjęcie CERN-u z zaznaczonymi akceleratorami: LEP, LHC oraz SPS.

     Wiązki elektronów i pozytonów, przyspieszanych przy użyciu LEP-u, przecinały się w 4 miejscach, gdzie ustawione były następujące detektory:

Rysunek 1.3 Zdjęcie detektora DELPHI.

        Obecnie LEP jest rozmontowany. W tym samym tunelu powstaje nowy akcelerator - LHC (Large Hadron Collider), który ma zderzać wiązki protonów o energii w środku masy . Ten wielki "zderzacz hadronowy", który ma być gotowy w 2007 roku, pozwoli naukowcom na głębsze wniknięcie w strukturę materii i odtworzenie warunków panujących we Wszechświecie zaledwie 10-12 sekundy po Wielkim Wybuchu. Przy LHC będą działać następujące detektory:

Głównymi celami przyszłych eksperymentów przy LHC są: 

  [2], [3]

  1. FERMILAB (Batavia, Illinois, USA) –  eksperymenty wykorzystujące synchroton TEVATRON, który zderza wiązki protonów i antyprotonów przy energii dostępnej w środku masy .

 

Rysunek 1.6 Schemat ośrodka FERMILAB z widocznym synchrotonem TEVATRON.

W miejscach przecięć wiązek ustawione są 2 detektory:

Rysunek 1.7 Zdjęcie detektora CDF.

Rysunek 1.8 Zdjęcie detektora D0.

Eksperymenty CDF i D0 potwierdziły istnienie szóstego kwarku t (top) o masie: 

                                                                                                                 

           [4], [5]

  1. DESY (Hamburg, Niemcy) – eksperymenty wykorzystują akcelerator Hera (Hadron-Elektron-Ring-Anlage), który zderza elektrony z protonami bądź pozytony z protonami. Służy do badania tzw. zderzeń głęboko nieelastycznych DIS (Deep Inelastic Scattering). Przy akceleratorze Hera działają 2 detektory:

Rysunek 1.9 Schemat detektora ZEUS.

   Detector Graphic                                            

Rysunek 1.10 Schemat detektora H1.

[6], [7]