Трековые детекторы Большого Адронного Коллайдера
статья по физике (11 класс) по теме

                             Трековые  Детекторы Большого Адронного Коллайдера.                                                                                                                                                        

А.И.Титенский.

1 Школа № 1 г. Фрязино Московской области, ул.Школьная, 10;

titenskiy-a@yandex.ru

Главные события происходят в коллайдере в местах столкновений адронов. Из этих маленьких областей диаметром 15 мкм разлетаются частицы , родившиеся при этих гигантских энергиях , моделирующие события первых мгновений «сотворения мира». Зная , что существует множество типов устройств , регистрирующих ионизирующее излучение, я , тем не менее, ожидал увидеть пузырьковые камеры и камеры Вильсона. Даже не подумал о том , что эти приборы , с их адиабатными процессами , слишком инерционны для коллайдера . Вызывают восхищение наши ученые , работавшие с этими приборами и открывшие множество частиц , считавшихся тогда элементарными. Ведь тогда разогнанный пучок наталкивался на мишень и прекращал свое существование, а треки регистрируемых  частиц расшифровывались практически вручную. Громадная кропотливая работа. А здесь пучки сталкиваются каждые 25 наносекунд , и за это время аппаратура должна быть готова регистрировать и следующие события. Фактически нам нужен фотоаппарат , делающий 40 миллионов снимков в секунду. Этот фотоаппарат должен позволить узнать траекторию , импульс и энергию частиц .Это делается с помощью разных типов детекторов, которые концентрическими слоями окружают место столкновения частиц

Каждый детектор состоит из трех частей , по так называемой стандартной схеме.1) Ближе всего к оси пучка находятся: трековые детекторы , которые измеряют траекторию частиц, 2) чуть дальше -калориметры ,которые измеряют их энергии. 3) еще дальше , занимая громадный объем – мюонные детекторы.      Трековые детекторы стараются проследить за движением частиц, не внося при этом никаких искажений. Калориметры, наоборот, должны полностью поглотить частицу, чтобы измерить ее энергию. Обычно делают так : внутри расположено несколько слоев трековых детекторов, а снаружи — несколько слоев калориметров, а затем -  мюонные детекторы.

В коллайдере столкновения происходят в четырех местах. Каждое из них окружено своим детектором. Каждый детектор проектировала и сооружала своя группа ученых , специально набранная для этих целей .Они же и проводят эксперименты. Такая группа называется «коллаборация». Два детектора универсальные – Atlas  и CMS . Их возможности примерно одинаковые , но при проектировании заложена разная идеология.  Чем сильнее магнитное поле и чем больше размеры самого детектора, тем сильнее траектория частицы отклоняется от прямой, а значит, тем надежнее можно измерить ее радиус кривизны и восстановить отсюда импульс частицы. Поэтому для изучения реакций с частицами очень высоких энергий, в сотни ГэВ и ТэВы, желательно построить детекторы размерами побольше и использовать магнитные поля посильнее. По чисто инженерным причинам обычно удается увеличить только одну из этих величин в ущерб другой. У детектора ATLAS побольше размеры, но поменьше поле, в то время как в детекторе CMS сильнее поле, но в целом он более компактен. У ATLAS  гигантские размеры (его длина составляет 43 метра, а диаметр — 22 метра., масса 7 тысяч тонн.) при умеренно сильном магнитном поле , у CMS  очень сильное магнитное поле при умеренных размерах (Название CMS расшифровывается как Compact Muon Solenoid (Компактный мюонный соленоид). На первый взгляд, слово «компактный» здесь может показаться неуместным — ведь длина детектора составляет 20 м, а диаметр — 15 м. Компактный по сравнению с ATLAS . Но  более  тяжелый – 15 тыс тонн. В обоих детекторах трековые детекторы и калориметры занимают относительно немного места– диаметр 2,4м и длину примерно 7м. , а гигантские размеры получаются за счет мюонных детекторов , именно они дадут самую интересную информацию – мюоны с высокой энергией свидетельствуют о том , что произошло что-то интересное.

Трековые детекторы восстанавливают траекторию частицы. Т.к. они расположены в  магнитном поле , то   по искривлению траектории частицы можно определить ее импульс. Конструкция трековых детекторов такова : ближе всего к оси в обоих детекторах расположены пиксельные детекторы, у  ATLAS на 80 млн пикселей , а у CMS  65 млн пикселей , затем  полосковые трековые детекторы – у ATLAS восьмислойный , а у  CMS  десятислойный. У детектора ATLAS есть еще и трековый детектор переходного излучения .Этот детектор состоит из нескольких сотен тысяч длинных тонких полых трубок, называемых «соломинками»  Каждая соломинка имеет диаметр 4 мм и длину больше метра; она заполнена газовой смесью (ксенон, углекислый газ, кислород) и содержит внутри тончайшую покрытую золотом вольфрамовую нить — анод. Внутренняя поверхность соломинки покрыта проводящим слоем, который служит катодом; напряжение между катодом и анодом составляет несколько киловольт. От каждой соломинки идет электронный канал считывания (всего их 420 тысяч), точность восстановления координаты вдоль соломинки составляет 0,17 мм. Комплекс различных видов трековых детекторов позволяет точно восстановить траекторию частицы для последующей компьютерной обработки.