Заключение. 
Физика атомного ядра и элементарных частиц: основы кинематики

Перспективы ядерной физики средних энергий

Наши «органы чувств»

Работая с объектами микромира экспериментатор не может наблюдать их непосредственно, с помощью своих органов чувств. Более того, проводя наблюдение (измерение) экспериментатор неизбежно изменяет состояние наблюдаемого объекта. Один из наиболее ярких примеров этому регистрация нейтральных частиц (фотонов, нейтрино, в ряде случаев нейтронов): измерение обычно выполняется только в одной пространственно-временной точке и зарегистрировав частиц>' экспериментатор ее либо «уничтожает», либо радикально меняет ее состояние движения. Поэтому заряженные частицы регистрировать и опознавать легче, чем нейтральные.

В самых общих чертах, при регистрации заряженных частиц эксплуатируются явления, возникающие вследствие возмущения атомов или молекул сенсорной среды электрическим полем движущегося заряда, которым обладает частица. Это электрическое поле возбуждает или ионизирует атомы (молекулы) среды, расположенные вблизи траектории частицы. То, что происходит далее, зависит уже от конкретного типа детектора и его сенсорной среды.

Таким образом, в любом детекторе можно выделить несколько элементов:

• 1. сенсорную среду, в которой вблизи траектории частицы возникает возмущение ее атомов или молекул;
• 2. транспортную среду, обеспечивающую транспортировку сигнала о возмущении к регистрирующему элементу. В некоторых детекторах она отсутствует, например в пузырьковых камерах, камерах Вильсона или в фотоэмульсиях; в других — может совпадать с сенсорной средой (например, рабочая газовая смесь газоразрядных детекторов) либо состоять из разных сред, включая сенсорную (сцинтилляционные счетчики с разнообразными световодами, сцинтилляционные счетчики со сместителями спектра, черенковские счетчики и т. д.).
• 3. Регистрирующий элемент, преобразующий первоначальный сигнал о возмущении в некоторое макроскопическое возмущение другого вида, поддающееся обнаружению и цифровой обработке. Это последнее может быть неоднородностью в среде (пузырек пара, если сенсорная среда — жидкость, капелька — если среда — пар, зерно серебра в фотоэмульсии после проявления), или электрическим сигналом (от фотодетектора или от электрического разряда), световым сигнаюм (от электрической искры или стримера) и т. д.
• 4. Накопитель, где хранится информация о пространственном положении регистрирующего элемента и о характере сигнала, им зарегистрированного. Накопитель информации может совпадать с сенсорной средой (изменившейся после обработки, как фотоэмульсия) или не совпадать с ней (например: фотопленка — в случае пузырьковых камер, память цифрового фотоаппарата, специализированные электронные модули, компьютерная память и т. д.)

Поступившая от детекторов информация обрабатывается далее с целью наиболее полной реконструкции события в системе детекторов и извлечения физической информации. Этот этап в современных экспериментах достаточно длительный и трудоемкий, совершенно немыслимый без использования современной компьютерной техники, достаточно изощренного программного инструментария и вычислительных процедур.

Координатные детекторы (годоскоиы, пропорциональные или дрейфовые камеры, полупроводниковые детекторы, гранулированные калориметры и т. д.) в первую очередь сообщают нам о том, где прошла частица (как правило, заряженная). Но чтобы опознать частицу, определив ее атрибуты, нужна дополнительная информация о ней. Для заряженных частиц получить эти сведения не слишком сложно. По существу, нужны часы, линейка и магнит. Иногда полезен своеобразный «тонкий» и/или «толстый» калориметр с «термометром» для измерения поглощенной в нем (калориметре) энергии; совместный анализ показаний этих приборов позволяет уверенно отождествить зарегистрированную заряженную частицу.

В самом деле, в «тонком калориметре» измеряется удельное энерговыделение (например — ионизационные потери: по величине появившегося электрического сигнала или по яркости вспышки света), что позволяет определить заряд частицы (зная ее скорость); в «толстом» калориметре измеряется полная энергия этой частицы; комбинируя полученные данные экспериментатор в состоянии, в определенных случаях, найти массу частицы.

Имея линейку, магнит и часы, можно уверенно измерить не только импульс, но и массу частиц единичного заряда, а добавив к ним «тонкий калориметр» — полностью опознать частицу. Линейкой измеряется пройденный путь и угол отклонения траектории от начального направления в магните, часы дают возможность измерить скорость, направление отклонения траектории в магните говорит о знаке заряда, а величина этого отклонения — о величине импульса; комбинируя эту информацию можно вычислить массу, зная заряд.

Например, когда измеряется время пролета (т) базы L (либо примерно одной и той же для всех регистрируемых частиц, либо измеряемой для каждой частицы отдельно), нетрудно увидеть, что зная импульс и время пролета можно вычислить массу т зарегистрированной частицы:

где с — скорость света.

Данные ниже рисунки поясняют принцип определения массы частиц, но независимым измерениям их импульса и времени пролета.

Экспериментатор может использовать и другие комбинации перечисленных приборов. Например, на заре физики частиц (еще до экспериментов Резерфорда), Дж. Дж. Томсон впервые предложил и применил метод, в котором используется магнит, линейка и ка;

Рис. 13.1. Корреляция между вре- Рис. 13.2. Те же данные — иоменом пролета на фиксированной еле применения формулы (13.1). На базе и импульсом для положите льверхней панели — корреляция можно заряженных частиц [78]. ду импульсом и величиной 1/(3 [78].

лориметр, а также цилиндр Фарадея для подсчета числа частиц, прошедших через его прибор (точнее, измерялся перенесенный ими заряд Q; цилиндр Фарадея и сейчас часто применяется именно для той же цели). В этих опытах он впервые определил отношение массы к заряд}' (т/е) для катодных лучей, природа которых тогда была неясна. Выполненные Дж. Дж. Томсоном эксперименты, вместе с рядом опытов других физиков, показали, что катодные лучи есть не что иное, как пучок электронов.

Применение калориметра и магнита с линейкой в первых опытах Дж. Дж. Томсона обеспечило одновременные независимые друг от друга измерения энергии и импульса частиц (что сегодня часто тоже делается тогда, когда точность измерений времени пролета недостаточна для хорошего измерения массы регистрируемых частиц). В качестве калориметра была использована термопара, нагреваемая пучком катодных лучей: количество полученного ею тепла пропорционально кинетической энергии Е^_п, принесенной на термопару.

Рис. 13.3. Корреляция между вычисленной массой регистрируемой частицы (ф-ла 13.1) и ее импульсом, из работы [79). Хорошо видно, как с ростом импульса падает разрешение по вычисленной массе.

частицами катодных лучей. Можно увидеть, что если полный заряд, принесенный к термопаре, есть Q, напряженность создаваемого магнитом поля есть Н и радиус кривизны траектории катодных лучей при прохождении через это магнитное поле есть р, то (имея в виду, что частицы катодных лучей в опытах Дж. Дж. Томсона были нерелятивистскими) величина отношения гп/е может быть найдена по формуле.

(Здесь, конечно, все величины должны быть взяты в правильных единицах измерения).

Следует иметь в виду, что измерение времени часами не всегда обеспечивает нужную точность вычисления массы частицы. К счастью, порой достаточно установить только факт тот, что скорость данной частицы больше некоторой фиксированной величины (для этого можно использовать эффект Вавилова-Черенкова), чтобы однозначно ее идентифицировать. Современные черенковские счетчики позволяют измерить даже интенсивность черепковского излучения и его угловое распределение для отдельной частицы, что облегчает задачу идентификации.

Используя различие в типе взаимодействия лептонов и адронов и, соответственно, в величине сечений взаимодействия, экспериментаторы отделяют мюоны и электроны от пионов, например: у них разная проникающая способность, а сами процессы потерь энергии на ионизацию развиваются различным образом. Поэтому, например при высоких энергиях, после достаточно «толстого» фильтра регистрируются, как правило, мюоны или нейтрино, но не пионы. Однако, этот принцип разделения мюонов и пионов не универсален. При промежуточных энергиях, когда скорости частиц таковы, что минимум ионизационных потерь еще не достигнут, задача разделения мюонов и адронов (пионов) не столь проста.

Наконец, законы сохранения (электрического заряда, барионного числа, странности и т. п.) и анализ кинематики реакции позволяют достаточно уверенно опознать нестабильные частицы по информации о зарегистрированных продуктах распада. Они же применяются для распознавания конкретной реакции.

Весь этот набор приемов и методов — результат многих лет методических исследований, разработок новых приборов и развития технологии. И наоборот, развитие технологии постоянно стимулируется потребностями эксперимента, поскольку каждый существенно новый эксперимент требует таких новых качеств детекторов или новых материалов, которые еще не существуют или еще не достигнуты в массовом производстве. Поляризационные эксперименты — наиболее яркий пример объединения и использования в одной задаче физических явлений из самых разных областей физики: атомной, физики твердого тела, радиотехники, физики частиц, физики низких температур, термодинамики и т. д.

В современной экспериментальной физике частиц используются комплексы детекторов, совсем непохожие по сложности на установки Резерфорда (хотя по принципу работы детекторов и набору методических приемов измерений сходство есть). Но от показаний детекторов до физических характеристик, подлежащих измерению, надо еще уметь правильно дойти. Без современных вычислительных методов и средств это невозможно.

Тесная связь технологии с методикой эксперимента очень хорошо видна на примере эволюции газоразрядных детекторов от счетчика Гейгера до современных «время-проекционных камер» (ТРС, или «time projection chambers»).

Одним из ближайших прототипов время-проекционной камеры была ионизационная камера, построенная в ЛИЯФ (ныне ПИЯФ.

Рис. 13.4- Импульсная ионизационная камера для регистрации медленных частиц отдачи при рассеянии релятивистских частиц на малые углы. Диаметр анода 200 мм, внутреннего кольца 220 мм, внешнего кольца 400 мм. Давление рабочего газа — до 8 атм. 51 — S3 — триггерные сцинтилляционные счетчики [80|.

Рис. 13.5. Диаграмма импульсов на электродах камеры [80]. У_с и Vа — амплитуды импульсов на катоде и аноде соответственно, q — заряд электронов, w — средняя энергия на образование пары ионов, С_с и С, а — емкости катода и анода относительно «земли», d — расстояние между анодом и сеткой, х — среднее расстояние между катодом и облаком ионов вдоль трека частицы отдачи, to — момент времени, когда произошло рассеяние, tа — момент времени появления импульса на аноде, t_r — время нарастания анодного импульса.

Гатчина) и первоначально использованная в экспериментах по упругому рассеянию пионов протонами и ядрами дейтерия и гелия-4.

на пучках ускорителей ИФВЭ и ЦЕРН [80]. Камера совмещала две функции: мишени (для чего наполнялась либо водородом, либо дейтерием или гелием-4 под высоким давлением) и детектора сильноионизирующих частиц отдачи, измерявшего их энергию, а также позволявшего получить информацию о продольной (вдоль направления пучка) координате точки взаимодействия (но времени дрейфа электронного облака) и угле наклона трека отдачи по отношению к плоскости электродов (по времени нарастания анодного сигнала). Рисунки 13.4−13.5 поясняют принцип действия детектора. Кольцевые электроды использовались для грубой оценки пробега частиц отдачи, что при дальнейшем анализе помогало отбору событий упругого рассеяния при сравнительно больших передачах 4-импульса в акте рассеяния (кроме того, анализ сигналов от них способствовал подавлению фона от неупругих взаимодействий с рождением частиц).

Принцип работы детектора ТРС поясняется на рис. 13.6. По сути дела, время-проекционная камера в своем первоначальном виде есть не что иное, как синтез классической ионизационной камеры с сеткой и пропорциональной камеры. Но ее появление стало возможным именно благодаря современной импульсной электронике.

Рис. 13.6. Принципиальная схема врсмя-ироскционной камеры.

От ионизационной камеры ТРС-детектор унаследовал дрейфовый объем и сетку, электростатически разделяющую дрейфовый объем и зону регистрации сигнала (рис. 13. G). Электроны ионизационного следа, возникшие вдоль траектории прошедшей заряженной частицы, дрейфуют к сетке с постоянной скоростью, величина которой определяется напряженностью электрического поля в дрейфовом объеме и свойствами наполняющего этот объем газа. Это время измеряется, что позволяет определить продольную (вдоль силовых линий электрического поля) координату выбранной точки трека.

Пройдя сетку электроны попадают в зону регистрации. Как правило, эта зона является пропорциональной камерой. Разница между разными вариантами время-проекционных камер лишь в том, как организовано измерение обеих координат проекции трека на плоскость регистрации.

В данном примере это делается следующим образом. В зоне регистрации натянуты, как и в пропорциональной камере, сенсорные проволочки. Электростатическое ноле, будучи практически однородным у сетки, концентрируется у проволочек (как и в пропорциональной камере). Поэтому электроны в зоне действия данной сенсорной проволоки собираются к ней и вблизи нее развивается пропорциональный разряд. При этом на расположенной вблизи зоны разряда площадке регистрации наводится сигнал, который и регистрируется. Тем самым, по номеру площадки регистрации, определяются координаты (х, у) области грека, спроецированного на плоскость сенсорных проволок. Амплитуда сигнала пропорциональна количеству собранных с трека в эту зону электронов, то есть, величине ионизационных потерь на этом участке трека. Время появления сигнала с данной площадки определяет продольную координату «центра тяжести» соответствующего участка трека. Вся полученная в совокупности информация позволяет не только реконструировать трек, но и провести идентификацию частицы, создавшей ионизационный след, используя измеренную величину удельных ионизационных потерь (конечно, если эта частица имеет скорость ниже той, что соответствует минимальным потерям на ионизацию).

На рис. 13.7 показано реконструированное реальное событие взаимодействия фотонов с протонами в эксперименте на фотонном пучке электронного синхротрона (SPring-8, Япония). Установка LEPS на этом пучке создана по инициативе физиков Исследовательского центра ядерной физики (RCNP) университета Осаки.

Плоскость регистрации (рис. 13.7) видна на первом плане. На ней видны проекции треков на эту плоскость. Примыкающий к ней цилиндрический объем обозначает область расположения жидководородной мишени, вставляемой во внутреннюю полость ТРС. Размер отдельных элементов грека в плоскости (х, у) определяется размером регистрирующей ячейки, а оттенок (степень затемнения) отражает величину амплитуды сигнала, зарегистрированного ячейкой (чем больше электронов собрано ячейкой, тем больше амплитуда сигнала и тем более темным показано изображение регистрирующей ячейки на рисунке).

Рис. IS.7. Пример события, зарегистрированного во времяпроекционной камере установки LEPS, созданной для изучения взаимодействия фотонов высокой энергии с протонами, дейтронами и ядрами. В данном случае изучались 7р взаимодействия.

Можно сравнить время-проекционную и пузырьковую камеры. В принципе, они похожи. И в том, и в другом приборе регистрируется ионизационный след заряженной частицы: либо через образованные вдоль него пузырьки, либо прямой регистрацией электронов этого следа. Однако разница между ними очевидна. Важнейшие преимущества ТРС — управляемость (информация считывается только при появлении триггерного сигнала, тогда как пузырьковая камера срабатывает один раз в несколько секунд независимо от того, случилось ли нужное событие или нет), быстродействие (если в пузырьковой камере оказалось в момент срабатывания более десятка пучковых частиц, то разобраться в зарегистрированной картине обычно невозможно), тогда как ТРС способна работать практически непрерывно, причем прибор можно построить так, чтобы он загружался только продуктами взаимодействия. Наконец, стенки ТРС имеют малую радиационную толщину и поэтому этот прибор может быть окружен другими детекторами, работая совместно с ними, тогда как стенки пузырьковых камер слишком «толсты» для этого.

С другой стороны, на сегодняшний день пространственное разрешение ТРС уступает разрешению пузырьковых камер. В первую очередь это обусловлено экономикой: числом канатов регистрации и их стоимостью.

Современные детекторы частиц рассмотрены довольно подробно в книге [81].