DETEKCJA CZĄSTEK

 

         Rejestracja cząstek w detektorach różnego rodzaju jest oparta na fakcie, iż podczas przejścia cząstki przez ośrodek materialny występują różnorodne procesy oddziaływania, w wyniku których cząstka traci część lub całość swej energii. Przy detekcji cząstek naładowanych najczęściej wykorzystuje się procesy jonizacji (wybijanie elektronów z atomów ośrodka) oraz wzbudzenia atomów i cząsteczek ośrodka (emisja fotonów). Straty energii w pojedynczych aktach takich procesów wynoszą od kilku do kilkudziesięciu eV. Wzdłuż toru cząstki powstaje swego rodzaju ślad,  a odczytanie i wykorzystanie zawartej w nim informacji stanowi zadanie detektora. Do detekcji cząstek neutralnych wykorzystuje się najczęściej detekcję i analizę wtórnych cząstek naładowanych lub kwantów . W zależności od potrzeb eksperymentu i rodzaju detektora informacji pozostawionej przez cząstkę możemy użyć do identyfikacji cząstki, pomiaru energii kinetycznej, pędu czy do rekonstrukcji trajektorii cząstki. Identyfikacji cząstek dokonuje się poprzez jednoczesny pomiar prędkości i pędu, a następnie wyznaczając masę spoczynkową bądź też dla cząstek nietrwałych na podstawie obserwacji sposobu ich rozpadu. Przy pomiarze energii wykorzystuje się zespół detektorów zwany kalorymetrem, w którym sumuje się energię niesioną przez cząstki bez zagłębiania się w szczegóły ich oddziaływań. Detektory tego typu mogą również służyć do rejestracji cząstek nienaładowanych. Pomiaru pędu dokonuje się poprzez badanie odchylenia poruszającej się cząstki naładowanej w polu magnetycznym, przy czym potrzebne jest wyznaczenie trajektorii cząstki (dokładne określenie jej położenia).   (12), (13), (14)

        Współcześnie w fizyce wysokich energii stosuje się różnego rodzaju złożone układy detekcyjne mogące spełnić wszystkie wyżej wymienione wymagania. Poszczególne elementy systemu detektorów współpracują ze sobą i dopiero analiza sygnałów ze wszystkich detektorów dostarcza pełnej informacji o zachodzącym zdarzeniu. Przykładem takiego współczesnego detektora jest detektor DELPHI (rys. 2.3.1). Jest to jeden z czterech wielkich detektorów zbudowanych przy LEP-ie (największym na świecie akceleratorze, który obecnie jest rozmontowany, a na jego miejsce budowany jest nowy akcelerator LHC) w CERN-ie. Składa się z kilkunastu wyspecjalizowanych detektorów pokrywających prawie cały kat bryłowy. Całość ma kształt walca o długości dziesięciu metrów i takiej samej średnicy. Można go podzielić na część centralną oraz dwie pokrywy (rys. 2.3.1.c). Detektor ten został zaprojektowany jako detektor uniwersalny, ze szczególnym naciskiem na identyfikacje cząstek i dokładne wyznaczanie współrzędnych wierzchołków. Oznacza to, że obejmuje on prawie pełny kąt bryłowy, rejestruje tory cząstek naładowanych i mierzy ich pędy oraz mierzy energie możliwie wszystkich rodzajów cząstek naładowanych i neutralnych.   (15)

 

 

        Wyróżnia się trzy podstawowe typy detektorów:

        Poniżej omówiono zasady działania niektórych detektorów:

Detektor półprzewodnikowy – jest to dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym. Można powiedzieć, że jest to swego rodzaju komora jonizacyjna, w której ciałem roboczym nie jest gaz, lecz kryształ germanowy lub krzemowy. Cząstka naładowana przechodząc przez detektor powoduje wzbudzenie elektronów i przeniesienie ich do pasma przewodnictwa. W wyniku tego powstaje wiele par elektron-dziura i nawet w przypadku, gdy cząstka zdeponuje niewielką ilość energii powstaje sygnał o wysokiej amplitudzie. Detektory półprzewodnikowe są powszechnie stosowane do rejestracji promieniowania gamma oraz cząstek o niskich energiach. We współczesnych detektorach detektory półprzewodnikowe pełnią rolę detektorów wierzchołka. Znajdują się one najbliżej obszaru pierwotnego oddziaływania i służą do lokalizacji wierzchołków pierwotnych oraz do rekonstrukcji wierzchołków wtórnych. Dzięki temu wiadomo, w którym miejscu cząstka wchodzi do detektora, co z kolei umożliwia wyznaczenie trajektorii cząstki. Detektor wierzchołka VFT wchodzący w skład detektora DELPHI składa się z detektorów mozaikowych i paskowych pokrywających obszar od 10 do 25 stopni (rys. 2.3.2).   (4), (13), (16)

 

 

Licznik czerenkowski - detektor szybkich cząstek naładowanych rejestrujący z użyciem fotopowielaczy światło emitowane na skutek zjawiska Czerenkowa towarzyszącego przelotowi cząstki. Ośrodkiem roboczym wypełniającym licznik jest przeważnie gaz. Rozróżnia się dwa rodzaje liczników czerenkowskich - liczniki progowe oraz liczniki różnicowe. Liczniki progowe rejestrują przelot cząstki o prędkości większej od zadanej. Zjawisko Czerenkowa występuje, gdy prędkość cząstki jest większa od prędkości światła w danym ośrodku v=c/n (gdzie c to prędkość światła w próżni, a n współczynnik załamania ośrodka). Przy jednakowej energii cząstki o mniejszej masie spoczynkowej poruszają się szybciej. Odpowiednio dobierając ciśnienie gazu wypełniającego licznik można uzyskać warunki, w których identyfikowane są tylko wybrane cząstki. Liczniki takie służą do szybkiej identyfikacji cząstek pojawiających się w oddziaływaniu. Przy użyciu liczników różnicowych możliwy jest pomiar kąta emisji promieniowania czerenkowskiego, a co za tym idzie pomiar prędkości cząstki, co przy danej energii cząstki pozwala określić jej masę, a tym samym zidentyfikować cząstkę.   (4), (12), (13)

 

Licznik Geigera-Müllera - gazowy detektor promieniowania jonizującego. Jest to kondensator cylindryczny wypełniony gazem szlachetnym z domieszką gazów wieloatomowych. Katodę stanowią zewnętrzne ścianki, anodę cienki drut przebiegający w osi symetrii. Wokół anody istnieje silne, niejednorodne pole elektryczne wywołane przyłożonym napięciem. Pojawienie się w tym obszarze swobodnego elektronu w wyniku przejścia cząstki jonizującej inicjuje wyładowanie elektryczne. Ilość wytworzonych podczas wyładowania elektronów swobodnych zależy wyłącznie od parametrów detektora, nie zależy od energii cząstki, która wywołuje jonizację. Wyładowanie jest gaszone dzięki domieszkom wieloatomowych cząstek organicznych lub poprzez obniżenie napięcia. Liczniki GM rejestrują tylko fakt przejścia cząstki, natomiast nie udzielają informacji o energii cząstek, czy też rodzaju przechodzącej cząstki. Stosuje się je w prostych układach detekcyjnych, do rejestracji promieniowania alfa i beta, beta i gamma lub tylko gamma.   (4), (13), (17)

 

Licznik proporcjonalny - gazowy detektor promieniowania jonizującego pracujący w zakresie napięć, dla których występuje zjawisko wzmocnienia gazowego, czyli proporcjonalnego wzrostu ładunku docierającego do elektrody względem ładunku jonizacji pierwotnej. Zjawisko to występuje wokół anody wykonanej z cienkiego napiętego drutu, wokół którego wytwarzane jest silne pole elektryczne. Elektrony przyspieszane w polu elektrycznym osiągają energię wystarczającą do wywołania jonizacji wtórnej. Jeden elektron powoduje powstanie lawiny elektronów wtórnych, jonów dodatnich i pewnej liczby wzbudzonych atomów i cząsteczek. Maksymalna wartość współczynnika wzmocnienia zależy od właściwości gazu oraz od gęstości jonizacji pierwotnej, dla cząstek a jest to między , a . W przypadku pojedynczych elektronów osiąga się wzmocnienia rzędu .   (4), (17), (18)

 

Wielodrutowa komora proporcjonalna (MWPC) – jest to nowoczesna odmiana licznika proporcjonalnego. Służy między innymi do rekonstrukcji trajektorii cząstki, co pozwala po umieszczeniu komory w polu magnetycznym na pomiar jej pędu. Komory tego typu zbudowane są z płaszczyzny anodowej złożonej z równoległych drutów odległych od siebie o około 2mm. Płaszczyzna anodowa umieszczona jest między dwiema siatkami metalowymi stanowiącymi płaszczyzny katodowe (rys. 2.3.3). Cząstka wchodząca do licznika jonizuje lokalnie gaz roboczy, a elektrony wychwytywane są przez najbliższe druty anodowe. Analiza sygnałów  z poszczególnych drutów anodowych pozwala określić położenie cząstki x w danej chwili czasu. Wielodrutowe komory proporcjonalne są powszechnie wykorzystywane w eksperymentach fizyki wysokich energii.   (12), (13)

 

 

Licznik scyntylacyjny - detektor zbudowany ze scyntylatora (w którym cząstka promieniowania jonizującego wywołuje luminescencje), fotopowielacza (zamieniającego błysk światła w sygnał elektryczny), światłowodu (doprowadzającego błysk scyntylacji do fotopowielacza) oraz układu rejestracji sygnału (rys. 2.3.4).

 

 

Zjawisko luminescencji w wyniku absorpcji energii promieniowania jonizującego jest możliwe wówczas, gdy centra luminescencyjne składające się z grupy atomów są odizolowane od reszty ośrodka w sensie wzajemnych oddziaływań. W przeciwnym wypadku energia byłaby natychmiast rozpraszana w postaci ciepła. W celu zapewnienia, by prawie wszystkie fotony powstałe w wyniku scyntylacji dotarły do fotopowielaczy powierzchnię scyntylatora otacza się materiałem odbijającym światło – reflektorem (wytworzone światło odbija się wielokrotnie od reflektora aż do momentu, gdy trafi do fotopowielacza). Przeważnie liczniki scyntylacyjne rejestrują jedynie fakt przejścia cząstki, aczkolwiek w niektórych przypadkach możliwy jest pomiar energii zdeponowanej przez przechodzącą cząstkę (wówczas licznik pełni rolę spektrometru rejestrowanego promieniowania). Rolę scyntylatorów pełnią: plastyki (polistyren), ciecze organiczne (ksylen) oraz niektóre kryształy nieorganiczne (np.: jodek sodu aktywowany talem). Scyntylatory ciekłe oraz plastykowe stanowią przeważnie roztwór scyntylatora organicznego w rozpuszczalniku, gdyż wydajność świetlna czystych scyntylatorów jest niewielka i rzadko kiedy osiąga wartości 10% (w roztworze możliwe jest osiągnięcie się wydajności rzędu 50%). Maksymalną wydajność osiąga się dla określonej koncentracji cząsteczek scyntylatora w roztworze. Przy zbyt dużej koncentracji roztworu występują oddziaływania gaszące pomiędzy cząsteczkami scyntylatora, co powoduje zmniejszenie wydajności. Niektóre scyntylatory odznaczają się emisją fotonów w zakresie nadfioletu, co stanowi utrudnienie przy dopasowaniu czułości fotopowielacza. W celu uniknięcia tych trudności roztwór scyntylatora domieszkuje się substancjami zwanymi aktywatorami wtórnymi, które powodują przesunięcie widma emitowanych fotonów w kierunku mniejszych częstości. Odpowiednio dobierając materiał scyntylatora uzyskuje się licznik czuły na różne rodzaje promieniowania jonizującego, na neutrony, a nawet przy objętości scyntylatora rzędu tysięcy litrów na neutrina.   (4), (12), (13), (18)

 

Komora jonizacyjna – jeden z najprostszych detektorów jonizacyjnych. Jest to kondensator gazowy, do którego okładek przyłożone jest niezbyt wysokie napięcie, tak by nie spowodować wzmocnienia gazowego. Napięcie nie może też być zbyt niskie, ponieważ elektrony i jony dodatnie ulegałyby rekombinacji. Cząstka jonizująca przechodząca przez komorę jonizuje gaz. Powstałe w ten sposób ładunki dryfują wzdłuż linii sił pola elektrycznego - elektrony do anody, jony dodatnie do katody. Po dotarciu do elektrod ładunki powodują przepływ prądu, który jest następnie rejestrowany.   (4), (18)

 

Komora Wilsona (komora mgłowa) – śladowy detektor promieniowania jonizującego, jest to hermetyczna komora wypełniona jest przesyconą parą. Jony powstałe w wyniku jonizacji wzdłuż toru przelotu cząstki są centrami kondensacji. Przy odpowiednim oświetleniu komory powstałe w ten sposób krople cieczy mogą być fotografowane. Przesycenie pary uzyskuje się dzięki temu, że tłok zamykający komorę przesuwa się zwiększając objętość roboczą, co prowadzi do przesycenia pary w wyniku adiabatycznego jej ochłodzenia. Po wykonaniu zdjęcia tłok powraca do początkowego położenia, co usuwa stan przesycenia. Komora, po umieszczeniu w jednorodnym polu magnetycznym, pozwala rozróżniać tory cząstek ujemnie i dodatnio naładowanych oraz mierzyć ich pędy. W drugiej połowie XX wieku komory Wilsona zostały wyparte przez komory pęcherzykowe.   (4), (17)

 

Komora pęcherzykowa - zasada działania jest podobna jak w przypadku komory Wilsona z tą różnicą, że komora wypełniona jest przegrzaną cieczą. Jony powstałe w wyniku jonizacji wzdłuż toru przelotu cząstki stają się centrami wrzenia cieczy. Przy odpowiednim oświetleniu powstałe w ten sposób pęcherzyki gazu mogą być fotografowane. Przegrzanie cieczy uzyskuje się dzięki temu, że tłok zamykający komorę przesuwa się zwiększając jej objętość, co prowadzi do przegrzania cieczy i jej wrzenia wzdłuż całego toru przelotu cząstki. Powrót tłoka do pierwotnego położenia usuwa stan przegrzania. Komora pęcherzykowa, tak jak komora Wilsona, pozwala rejestrować tory cząstek, rozróżniać cząstki ujemnie i dodatnio naładowane oraz mierzyć ich pędy (po umieszczeniu jej w jednorodnym polu magnetycznym). Komory pęcherzykowe zastąpiły komory Wilsona, gdyż zawierają więcej materii (ciecz, a nie gaz) oraz charakteryzują się krótszym cyklem pracy, co umożliwia badanie oddziaływań zachodzących z mniejszymi prawdopodobieństwami. Poniżej znajduje się zdjęcie wykonane w komorze pęcherzykowej (rys. 2.3.5), w której antyproton wlatujący z dolnej części zdjęcia do góry zderza się z protonem będącym w spoczynku, po czym ulegają anihilacji. W wyniku tego procesu powstało osiem pionów, z czego jeden rozpadł się na mion i .

 

 

Największa komora pęcherzykowa działająca w CERN-ie w latach 1973-1984 była walcem o średnicy 3,7 m, wypełnionym skroplonymi gazami. Obecnie komory pęcherzykowe nie są już stosowane w celach eksperymentalnych, zostały one zastąpione przez nowoczesne układy detekcyjne.   (4), (12), (19)