Детекторы элементарных частиц (введение) Ваня Беляев ( ЦЕРН/Женева и ИТЭФ/Москва)

Детекторы частиц Предмет сам по себе очень сложный Предмет сам по себе очень сложный Непростые физические эффекты Непростые физические эффекты Сложные инженерные решения Сложные инженерные решения У нас есть всего 45 минут У нас есть всего 45 минут В ведущих вузах (МФТИ/МИФИ/МГУ/НГУ) основы предмета изучаются в течении как минимум двух семестров В ведущих вузах (МФТИ/МИФИ/МГУ/НГУ) основы предмета изучаются в течении как минимум двух семестров Некие упрощения неизбежны Некие упрощения неизбежны Ко многим утверждениям можно найти хотя бы одно исключение Ко многим утверждениям можно найти хотя бы одно исключение 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 2

Частицы Регистрируемые непосредственно («долгоживущие») Регистрируемые непосредственно («долгоживущие») Заряженные: Заряженные: Электрон, протон Электрон, протон мюоны, ± и К ± -мезоны мюоны, ± и К ± -мезоны Нейтральные: фотоны /гамма-кванты Нейтральные: фотоны /гамма-кванты Реконструируемые по их распадам («короткоживущие») Реконструируемые по их распадам («короткоживущие») 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 3 Частицы, живущие достаточно долго, чтобы оставлять след кторый можно наблюдать/измерять непосредственн след, («трек») Упрощение: граница между этими категориями не такая четкая

Детекторы частиц вокруг нас Детектор (низкоэнергичных) электронов Детектор (низкоэнергичных) электронов Экран ЭЛТ («старого») телевизора, осциллографа, … Экран ЭЛТ («старого») телевизора, осциллографа, … Детектор (низкоэнергичных) фотонов Детектор (низкоэнергичных) фотонов Фотоплёнка, фотопластинки Фотоплёнка, фотопластинки Цифровые видео и фотокамеры: ПЗС-матрица Цифровые видео и фотокамеры: ПЗС-матрица 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 4 Исторически первый

Числа и единицы измерений Энергия: электрон-вольты, килоэлектрон вольты, …, Тераэлектронвольты Энергия: электрон-вольты, килоэлектрон вольты, …, Тераэлектронвольты 1 эВ = 1.6× Дж 1 эВ = 1.6× Дж Энергия которую приобретает электрон пройдя разность потенциалов в 1 вольт Энергия которую приобретает электрон пройдя разность потенциалов в 1 вольт Энергия связи электронов в атоме: Энергия связи электронов в атоме: O(13.6эВ) O(13.6эВ) Энергия протона в LHC : Энергия протона в LHC : 3.5 ТэВ × 1.6× Дж/эВ = 5.6 ×10-7 Дж 3.5 ТэВ × 1.6× Дж/эВ = 5.6 ×10-7 Дж протонов в банче: 56 кДж = 13.3ккал протонов в банче: 56 кДж = 13.3ккал 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 5

Как регистрировать частицы? «Типичные» энергии очень малы по сравнению с макроскопическими размерами «Типичные» энергии очень малы по сравнению с макроскопическими размерами Надо использовать физические эффекты которые очень чувствительны к малым возмущениям Надо использовать физические эффекты которые очень чувствительны к малым возмущениям Основной принцип до конца 70х годов XX века Основной принцип до конца 70х годов XX века Прогресс в развитии современной электроники позволяет усилить слабые сигналы Прогресс в развитии современной электроники позволяет усилить слабые сигналы 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 6

Неустойчивое равновесие Система, наиболее чувствительная к малым внешним равновесиям – это система в состоянии неустойчивого равновесия Система, наиболее чувствительная к малым внешним равновесиям – это система в состоянии неустойчивого равновесия Макроскопическая система может быть чувствительной к микроскопическим воздействиям Макроскопическая система может быть чувствительной к микроскопическим воздействиям 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 7

Перегретая жидкость Простой домашний опыт Простой домашний опыт Очень чистая вода (например много раз кипяченая) Очень чистая вода (например много раз кипяченая) Очень чистая ровная посуда с ровным гладким дном и стенками (например химическая колба) Очень чистая ровная посуда с ровным гладким дном и стенками (например химическая колба) Очень осторожный равномерный нагрев Очень осторожный равномерный нагрев Вода не закипает! Вода не закипает! Мгновенно и бурно вскипает если бросить туда что-нибудь мелкое… или просто потрясти Мгновенно и бурно вскипает если бросить туда что-нибудь мелкое… или просто потрясти Малое возмущение приводит к большим качественным изменениям в системе Малое возмущение приводит к большим качественным изменениям в системе 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 8

Пузырьковая камера Перегретая жидкость: часто жидкий водород Перегретая жидкость: часто жидкий водород Когда через жидкость проходит заряженная частица (малое воздействие), жидкость вскипает вдоль ее движения, образуя слез из мельчайших пузырьков, которые можно сфотографировать Когда через жидкость проходит заряженная частица (малое воздействие), жидкость вскипает вдоль ее движения, образуя слез из мельчайших пузырьков, которые можно сфотографировать 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 9

Пузырьковые камеры Изобретена Дональдом Глейзером (1952 год) Изобретена Дональдом Глейзером (1952 год) Нобелевская премия 1960 год Нобелевская премия 1960 год Можно «глазом» видеть частицы Можно «глазом» видеть частицы Миллионы фотографий… Миллионы фотографий… Разные жидкости: водород, дейтерий, пропан, ксенон, … Разные жидкости: водород, дейтерий, пропан, ксенон, … В реальности не нагревают, а изменяют давление.. В реальности не нагревают, а изменяют давление.. «Золотой век» «Золотой век» «Гаргамель» «Гаргамель» 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 10

Gargamel 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 11 Пузырьковая камера Гаргамель. ЦЕРН Пузырьковая камера Гаргамель. ЦЕРН × 4 метра 12 м 3 фреона Одно из наиболее важных открытий в ЦЕРН: 1973 год

Переохлажденный пар Еще одна система с неустойчивым равновесием Еще одна система с неустойчивым равновесием Конденсация перенасыщенного пара Конденсация перенасыщенного пара Образование капелек конденсата («тумана») вдоль движения заряженной частицы Образование капелек конденсата («тумана») вдоль движения заряженной частицы «туманная камера Вильсона» «туманная камера Вильсона» Изобретена Чарльзом Вильсоном в начале XX века Изобретена Чарльзом Вильсоном в начале XX века 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 12

Счетчик Гейгера Заряженный конденсатор на грани пробоя Заряженный конденсатор на грани пробоя Разряд/пробой когда проходит частица Разряд/пробой когда проходит частица Используется в дозиметрах Используется в дозиметрах Изобретен Гансом Гейгером в 1908 году Изобретен Гансом Гейгером в 1908 году 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 13

(Опыт Резерфорда) Знаменитый опыт Резерфорда, который показал что атом имеет тяжелое и очень компактное ядро Знаменитый опыт Резерфорда, который показал что атом имеет тяжелое и очень компактное ядро 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 14 Гейгер

Как происходит взаимодействие частиц с веществом? Все заряженные частицы: Все заряженные частицы: Ионизация вещества Ионизация вещества Тормозное излучение Тормозное излучение особенно e - и e + особенно e - и e + Черенковское излучение Черенковское излучение Переходное излучение Переходное излучение Адроны: неупругие ядерные процессы, Адроны: неупругие ядерные процессы, Фотоны Фотоны Фотоэффект Комптоновское рассеяние Рождение e + e - пар в поле ядра 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 15

Ионизационные потери = v/c = v/c МэВ см 2 /г МэВ см 2 /г Пропорционально плотности электронов в веществе Пропорционально плотности электронов в веществе Слабо зависит от вещества Слабо зависит от вещества «2 МэВа на грамм» «2 МэВа на грамм» 4 для водорода 4 для водорода 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 16

Тормозное излучение В электрическом поле ядра быстрая заряженная частица излучает фотоны В электрическом поле ядра быстрая заряженная частица излучает фотоны Эффект очень важен для e - и e + Эффект очень важен для e - и e + (не очень важен для других частиц) Растет линейно с энергией Растет линейно с энергией Есть «критическая энергия» (5-10 МэВ), при больших энергиях эффект доминирует при меньших доминирует ионизационные потери Есть «критическая энергия» (5-10 МэВ), при больших энергиях эффект доминирует при меньших доминирует ионизационные потери 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 17

Фотоны Фотоэффект Фотоэффект Важен когда энергия фотона сравнима с энергией связи электрона в атоме Важен когда энергия фотона сравнима с энергией связи электрона в атоме Комптон-эффект Комптон-эффект Рождение пар в поле ядра Рождение пар в поле ядра Доминирующий эффект при больших энергиях Доминирующий эффект при больших энергиях А что случается дальше с e + и e - ? А что случается дальше с e + и e - ? Предыдущий слайд ( и снова этот…) Предыдущий слайд ( и снова этот…) Размножение частиц Размножение частиц Ливень Ливень 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 18

Ливни Высокоэнергичные фотоны рождают (высокоэнергичные) пары Высокоэнергичные фотоны рождают (высокоэнергичные) пары Высокоэнергичные e - (и e + ) излучают (высокоэнергичные) фотоны Высокоэнергичные e - (и e + ) излучают (высокоэнергичные) фотоны … … Процесс размножения продолжается пока энергия достаточно велика Процесс размножения продолжается пока энергия достаточно велика Е > E крит Е > E крит По закону сохранения энергии: По закону сохранения энергии: N E 0 /E крит ~тысячи частиц при начальной энергии E 0 больше чем 1 ГэВ ~тысячи частиц при начальной энергии E 0 больше чем 1 ГэВ 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 19

Адронные ливни Похожим образом при больших энергиях взаимодействуют с ядрами адроны с выделением ядерных осколков и других адронов Похожим образом при больших энергиях взаимодействуют с ядрами адроны с выделением ядерных осколков и других адронов Физика довольно сложна Физика довольно сложна Внутри ливня появляются также фотоны и электроны, рождая электромагнитные ливни Внутри ливня появляются также фотоны и электроны, рождая электромагнитные ливни Размножение пока энергия частиц в ливне достаточно большая > ГэВ Размножение пока энергия частиц в ливне достаточно большая > ГэВ 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 20

А что происходит с энергией выделенной в веществе? Сцинтилляторы – вещества в которых возбуждение снимается излучением видимого света… Сцинтилляторы – вещества в которых возбуждение снимается излучением видимого света… Прозрачные (неорганические) кристаллы Прозрачные (неорганические) кристаллы Многие пластики, огрстекло,… Многие пластики, огрстекло,… Количество света пропорционально энергии выделенной в куске сцинтиллятора Количество света пропорционально энергии выделенной в куске сцинтиллятора В случае ливней при очень большом куске вещества – пропорционально энергии частицы В случае ливней при очень большом куске вещества – пропорционально энергии частицы «калориметр» «калориметр» Возможность измерить энергию ливневой частицы! Возможность измерить энергию ливневой частицы! Вспышки обычно очень слабые и для детектирования требуют использования фотоумножителей Вспышки обычно очень слабые и для детектирования требуют использования фотоумножителей 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 21

Что мы регистрировали в пузырьковой камере? Трек частицы вызван ионизационными потерями. Трек частицы вызван ионизационными потерями. Именно ионизационные потери в среде, ведущие к образованию пар электрон-ион, служат «спусковыми крючками» для выхода системы из состояния неустойчивого равновесия Именно ионизационные потери в среде, ведущие к образованию пар электрон-ион, служат «спусковыми крючками» для выхода системы из состояния неустойчивого равновесия 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 22

Другие подходы? Со временем (развитием электроники, увеличения чувствительности аппаратуры и уменьшения всевозможных шумов) необходимость использования принципа неустойчивого равновесия для детектирования частиц стала уменьшаться. Со временем (развитием электроники, увеличения чувствительности аппаратуры и уменьшения всевозможных шумов) необходимость использования принципа неустойчивого равновесия для детектирования частиц стала уменьшаться. 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 23

Газовое усиление Электроны дрейфуют к тонкой проволочке Электроны дрейфуют к тонкой проволочке Электрическое поле вблизи проволочки очень большое Электрическое поле вблизи проволочки очень большое Размножение Размножение «Газовое усиление» «Газовое усиление» Усиление сигнала зависит от Усиление сигнала зависит от многих параметров: напряжения, многих параметров: напряжения, диаметра проволочки, газовой смеси диаметра проволочки, газовой смеси Малое усиление: (слабый) сигнал пропорционален ионизации Слишком большое усиление: (сигнал большой) счетчик Гейгера 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 24

Время дрейфа Электроны дрейфуют к тонкой проволочке Электроны дрейфуют к тонкой проволочке Скорость около 50км/с Скорость около 50км/с Измеряя время прихода Измеряя время прихода сигнала можно рассчитать сигнала можно рассчитать расстояние и узнать где расстояние и узнать где проходила частица проходила частица «Дрейфовые трубки» «Дрейфовые трубки» «Соломенные трубки», часто длинные и тонкие как соломинки для коктейлей: «Соломенные трубки», часто длинные и тонкие как соломинки для коктейлей: LHCb: десятки тысяч трубок длиной около 3 метров и толщиной 5мм LHCb: десятки тысяч трубок длиной около 3 метров и толщиной 5мм 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 25

А нужны ли трубки? Дрейфовая камера Дрейфовая камера 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 26

Время-проекционная камера Настоящая 3Д картинка Настоящая 3Д картинка Сердце детектора ALICE Сердце детектора ALICE 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 27

Твердотельные детекторы Ионизация в газах: 300 ионов на см Ионизация в газах: 300 ионов на см Пропорциональна плотности! Пропорциональна плотности! В твердых телах начальная ионизация заметно больше ( 10 3 ) В твердых телах начальная ионизация заметно больше ( 10 3 ) «Начальный» сигнал заметно больше «Начальный» сигнал заметно больше более компактный детектор более компактный детектор Еще больше сигнал в полупроводниках (~10) Еще больше сигнал в полупроводниках (~10) «Электрон + Дырка» вместо «Электрон + Ион» «Электрон + Дырка» вместо «Электрон + Ион» Нет газового усиления Нет газового усиления Нужна чувствительная и малошумящая электроника Нужна чувствительная и малошумящая электроника 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 28

Полупроводниковые детекторы Сердца современных детекторов Сердца современных детекторов Типичные точности Типичные точности 5-50 мкм 5-50 мкм Типичные геометрии Типичные геометрии Полоски Полоски «стрипы» «стрипы» Короткие полоски Короткие полоски микрострипы микрострипы «стриксели» «стриксели» Прямоугольники Прямоугольники «пиксели» «пиксели» Много (десятков) Много (десятков) миллионов каналов считывания, самые современные технологии 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 29

Иногда сердце очень большое 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 30 Внутренний детектор эксперимента ATLAS Внутренний детектор эксперимента ATLAS > 10 8 каналов, > 10 8 каналов, > 60м 2 полупроводниковых детекторов > 60м 2 полупроводниковых детекторов

Большое сердце-II 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 31 Внутренняя часть детектора CMS Внутренняя часть детектора CMS 65×10 6 каналов 65×10 6 каналов

Черенковское излучение Когда заряженная частица движется в среде со скоростью больше скорости света в среде Когда заряженная частица движется в среде со скоростью больше скорости света в среде (но меньше скорости света в вакууме) (но меньше скорости света в вакууме) Конус черенковского света cos = 1/(n ) Конус черенковского света cos = 1/(n ) Зная раствор конуса – измеряем скорость Зная раствор конуса – измеряем скорость Если отразить в сферическом зеркале – изображение этого конуса будет представлять собой окружность Если отразить в сферическом зеркале – изображение этого конуса будет представлять собой окружность Радиус связан с углом Радиус связан с углом Измеряем скорость Измеряем скорость Зная импульс частицы, измеряем массу Зная импульс частицы, измеряем массу 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 32

Детектор черенковских колец Важный элемент экспериемнта LHCb Важный элемент экспериемнта LHCb Уникальный для LHC Уникальный для LHC Позволяет различать заряженные частицы, в частности отличать каоны от пионов Позволяет различать заряженные частицы, в частности отличать каоны от пионов Открывает массу интересных возможностей Открывает массу интересных возможностей Ввв Ввв 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 33

А как же мюоны? Мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях Мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях Нет адронных ливней Нет адронных ливней Для мюонов не слишком больших энергий (меньше десятков ГэВ) тормозное излучение не приводит к большим потерям энергии Для мюонов не слишком больших энергий (меньше десятков ГэВ) тормозное излучение не приводит к большим потерям энергии Нет электромагнитных ливней Нет электромагнитных ливней Теряют энергию главным образом только за счет ионизации вещества! Теряют энергию главным образом только за счет ионизации вещества! Большая проникающая способность Большая проникающая способность «2 МэВа на грамм» «2 МэВа на грамм» Плотность железа ~8г/см 3 Плотность железа ~8г/см 3 Потеря энергии: 16 МэВ на сантиметр толщины железа Потеря энергии: 16 МэВ на сантиметр толщины железа 16 ГэВ мюон спокойно пройдет через несколько метров железа 16 ГэВ мюон спокойно пройдет через несколько метров железа 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 34

Детекторы мюонов Мюонные детекторы обычно самые делекие от точки взаимодействия. Включают много тяжёлого материала: железо, железобетон Мюонные детекторы обычно самые делекие от точки взаимодействия. Включают много тяжёлого материала: железо, железобетон Часто самые тяжелые (по массе) элементы эксперимента Часто самые тяжелые (по массе) элементы эксперимента Часто совмещены с ярмом магнита Часто совмещены с ярмом магнита Обычно самые внешние и самые видимые Обычно самые внешние и самые видимые Часто только их и видно… Часто только их и видно… 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 35

LHCb 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 36

ATLAS 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 37

CMS 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 38

Вместо заключения Большое спасибо за внимание Большое спасибо за внимание Вопросы? 1 Ноября 2k+11 Ваня Беляев, "Детекторы (введение)" 39 Я должен еще раз извиниться за слишком большие упрощения