Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
часть детектора выдает для каждой из этих частиц и точное зна- чение энергии, и координатную информацию. Материал, использованный в калориметре ECAL детектора CMS, сам по себе удивителен и заслуживает внимания. Это кри- сталлический вольфрамат свинца, выбранный за свою плотность и оптическую чистоту, — именно то, что нужно для торможения и регистрирования прибывающих электронов и фотонов. Возмож- но, по моей фотографии на рис. 36 вы сможете себе это представить. Это поразительное вещество, невероятно прозрачное. Вы навер- няка никогда не видели ничего настолько плотного и при этом на- столько прозрачного. Полезны эти кристаллы еще и потому, что они способны измерять электромагнитную энергию невероятно точно, а точность, как мы узнаем в главе 16, может сыграть принципиаль- но важную роль в поисках неуловимого бозона Хиггса. В экспериментальной установке ATLAS для остановки электро- нов и фотонов используется свинец. Взаимодействия, происходящие в этом поглотителе, переводят первоначальную энергию движущейся ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 289 заряженной частицы в ливень частиц, суммарная энергия которых, собственно, и регистрируется. Затем эта энергия передается жидко- му аргону — инертному газу, который не взаимодействует химиче- ски с другими элементами и очень устойчив к действию излучения. По его реакции можно судить об энергии первоначальной частицы. РИС . 36. Такие кристаллы вольфрамата свинца используются в элек- тромагнитном калориметре CMS РИС . 37. Структура электромагнитного калориметра в детекторе ATLAS напоминает гармошку 290 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ Этот элемент детектора ATLAS произвел на меня сильное впе- чатление во время экскурсии. Фабиола принимала участие в раз- работке и конструировании этого калориметра с радиальными слоями свинцовых пластин, уложенных подобно мехам гармошки и разделенных тонкими слоями жидкого аргона и электродами. Она рассказала нам, что такое строение позволяет заметно ускорить про- цесс считывания результатов, потому что в этом случае электроника располагается намного ближе к элементам детектора (рис. 37). АДРОННЫЙ КАЛОРИМЕТР HCAL Следующим на пути от протонной трубки и зоны взаимодействия вдоль радиуса наружу располагается адронный калориметр HCAL. Этот прибор измеряет энергию и положение адронов — частиц, уча- ствующих в сильном взаимодействии, — хотя и менее точно, чем элек- тромагнитный калориметр измеряет энергию электронов и фотонов. Снижение точности — вынужденная мера. Дело в том, что HCAL громаден. В детекторе ATLAS, к примеру, этот калориметр имеет ди- аметр 8 м и длину 12 м. Сегментировать HCAL с той же точностью, что и ECAL, было бы неподъемно дорого, поэтому точность треко- вых измерений в нем сознательно снижена. Кроме того, измерять энергию частиц, участвующих в сильном взаимодействии, попро- сту сложнее (вне зависимости от сегментации), потому что флук- туации энергии в адронных ливнях намного больше. В установке CMS адронный калориметр собран из слоев мате- риала высокой плотности — бронзы или стали, — чередующихся с пластиковыми сцинтилляторными ячейками, которые регистри- руют энергию и положение пролетающих сквозь них адронов по интенсивности сцинтилляции. В центральной части детектора ATLAS в качестве материала-поглотителя используется железо, но сам адронный калориметр работает примерно так же. МЮОННЫЙ ДЕТЕКТОР Самый внешний слой в любом универсальном детекторе эле- ментарных частиц составляют мюонные камеры. Мюоны, как вы ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 291 помните, — это заряженные частицы, похожие на электроны, но в 200 раз тяжелее. Ни электромагнитный, ни адронный кало- риметры не способны их остановить. Эти частицы, не обращая ни на что внимания, летят прямиком в толстый внешний слой де- тектора (рис. 38). Энергичные мюоны очень полезны в поиске новых частиц; в от- личие от адронов, они достаточно изолированы, их траектории от- носительно легко регистрировать и измерять. Экспериментаторы хотят регистрировать все события с участием энергичных мюонов, разлетающихся в поперечном направлении, потому что самые ин- тересные столкновения редко обходятся без их участия. Мюонные детекторы могут также оказаться полезными для регистрации лю- бых других тяжелых и стабильных заряженных частиц, которым удастся добраться до внешних пределов детектора. РИС . 38. В CMS мюонный детектор встроен в ярмо магнита. Снимок сделан в период строительства 292 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ Мюонные камеры регистрируют следы мюонов, достигших внешнего слоя детекторов. В некоторых отношениях мюонный де- тектор похож на внутренний — те же трекеры и магнитные поля, которые отклоняют мюоны от прямой, чтобы можно было изме- рить изгиб траектории и импульс частицы. Однако магнитное поле в мюонных камерах отличается от поля во внутренних тре- керах, да и сам детектор намного толще, что позволяет измерять даже очень небольшую кривизну траектории и, соответственно, регистрировать частицы с более высоким импульсом (их полет в магнитном поле меньше отклоняется от прямой). В CMS мюон- ные камеры занимают пространство от трех метров до внешнего радиуса детектора — примерно 7,5 м; в ATLAS они начинаются на четырех метрах и тянутся до внешних пределов детектора — до 11 м. Эти громадные конструкции позволяют измерять поло- жение частиц с точностью до 50 мкм. ТОРЦЕВЫЕ ЧАСТИ Последние элементы детектора, о которых мы еще не говори- ли, — оконечные элементы, детекторы на переднем и заднем концах экспериментальной установки (на рис. 39 можно увидеть их примерную структуру). Теперь мы будем двигаться не по ра- диусу от луча наружу — последним этапом в этом направлении были мюонные детекторы, — а вдоль оси цилиндра к его концам и ограничивающим их «крышкам». Цилиндрическая часть уста- новки «закупорена» там специальными детекторами, назначение которых — обеспечить регистрацию максимального числа частиц. Оконечные элементы устанавливались на место последними, по- этому в 2009 г. при посещении коллайдера я с такой легкостью рас- сматривала слоеный пирог внутреннего устройства детекторов. Дополнительные детекторы на торцевых частях детекторного цилиндра установлены для того, чтобы экспериментаторы мог- ли быть уверены: детектор регистрирует импульсы всех без ис- ключения частиц. Их цель — замкнуть пространство экспери- ментальной установки, сделать его жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|