КООРДИНАТЫ И ВРЕМЯ
Суть эксперимента на ускорителе заключается в том, что пучок заряженных частиц (скажем, протонов) разгоняется до высоких энергий, а затем направляется в «мишень» из, какого-нибудь вещества. В столкновениях частиц пучка с протонами, и нейтронами, составляющими ядро любого вещества, рождаются новые частицы, которые разлетаются в стороны с различными скоростями.
Оказывается, для того, чтобы найти все основные характеристики образующихся частиц, достаточно лишь узнать, где, и в, какое время они находились, то есть определить их траектории.
Итак, координаты, и время. Замерять их - задача не из легких, если учесть ничтожные размеры частиц (характерный масштаб здесь 10~13 см), и их колоссальные скорости (близкие к скорости света). И все же такая задача сегодня посильна исследователю. Для этого служат детекторы частиц (от английского detect - обнаружить, зарегистрировать). Простейшие из них дают сигнал (импульс), когда сквозь них проходит частица. Такие детекторы называются импульсными или просто счетчиками.
Чтобы точнее определить время прохождения частицы через счетчик, импульс должен быть, как можно короче. Именно из-за этого сейчас практически не применяют популярные в свое время гейгеровские счетчики. Сегодня в экспериментах на крупнейших ускорителях используют в основном сцинтилляционные, и черенковские счетчики (в первых частицы выдают себя свечением ионизации, во-вторых - черенковским излучением; об устройстве этих счетчиков читатель может узнать из статьи «Эксперимент «антигелий» - «Наука, и жизнь» № 4 за 1971 год). Длительность сигнала от этих счетчиков составляет несколько наносекунд (1 нсек = = 10^-9 сек.). Поэтому их можно применять в пучках с интенсивностью, достигающей десятка миллионов частиц в секунду.
Физики говорят в этом случае о высоком временном разрешении. В разговоре о таких специфических приборах, как детекторы элементарных частиц, трудно обойтись без специальной терминологии. Чтобы сделать ее более понятной, обратимся к общеизвестному прибору - фотоаппарату. Если за время выдержки картина, которую хочет запечатлеть фотограф, успеет существенно измениться, кадр смажется, на нем окажется сразу несколько видов, слитых воедино.
ТЕХНИКА НАУКИ
Характеристика счетчика, подобная наименьшей выдержке фотоаппарата, называется временным разрешением. Если одна частица следует за другой в пределах этого минимального промежутка времени, импульсы от них наложатся друг на друга, и по сигналу счетчика нельзя будет разобрать, сколько частиц прошло сквозь него. Если же частицы следуют друг за другом с большим опозданием, счетчик зарегистрирует каждую.
И еще одно сравнение с фотоаппаратом. Чтобы сделать очередной кадр, надо перевести пленку, и взвести затвор. На это требуется определенное время - оно ограничивает число снимков, которое можно сделать за определенный срок.
Время, за которое счетчик, зарегистрировавший одну частицу, успевает вернуться в исходное положение, и изготовиться для регистрации следующей, называется «мертвым временем». Частицы, прошедшие сквозь счетчик за это время, не регистрируются. Мертвое время - мера скорости набора информации.
ИМПУЛЬСНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
Сцинтилляционный, и черенковский счетчики обладают хорошим временным разрешением. Но, восстанавливая картину движения частицы, мы должны знать поточнее не только тот момент времени, в который она проследовала через детектор, но, и координаты точек пространства, через которые она проследовала.
Нетрудно сообразить, что точность определения координат обусловлена размерами чувствительной области детектора. Если есть импульс, значит, в, какое-то место этой области попала частица. Но в, какое именно? Этого счетчик не сообщает.
С одной стороны, чувствительную область прибора следует сделать побольше - чтобы захватить все частицы пучка. С другой - поменьше, чтобы точнее определять траекторию, или, пользуясь специальным термином, добиться лучшего пространственного разрешения. О разумном компромиссе между этими противоречивыми требованиями рассказывает цветная вкладка, где в правом верхнем углу изображен так называемый телескоп. Лучшего пространственного разрешения позволяют добиться следовые детекторы.
ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА
Следовой детектор, кроме информации о прохождении частицы, дает еще изображение ее траектории, ее след, - отсюда название прибора. Первым следовым детектором была камера Вильсона. Принцип ее работы прост. Заряженная частица,' двигаясь через переохлажденный газ, и сталкиваясь с молекулами, ионизирует их. Вокруг образующихся ионов конденсируется влага - частица оставляет на своем пути след из капелек, который и фотографируется на пленку.
Плотность газа, заполняющего камеру, ничтожна. Столкновения частиц с ядрами его атомов, в результате которых могло бы произойти много интересных реакций, чрезвычайно маловероятны. А что если заменить газ жидкостью?
Так появилась пузырьковая камера. Принцип ее действия примерно тот же. Расширяя объем камеры, наполненной сильно сжатой жидкостью, давление в ней сбавляют до такого значения, когда жидкость при данной температуре готова уже закипеть, да не закипает нет центров кипения. Но вот в камеру влетает частица. Она ионизирует молекулы жидкости, и на образовавшихся ионах зарождаются и растут пузырьки пара (отсюда, и название камеры). Когда пузырьки вырастают до нужного размера, срабатывает фотоаппарат. Жидкость сжимают вновь, поскольку дальнейшее кипение ни к чему, а на фотографии остается след частицы, выписанный цепочкой крохотных пузырьков.
Пузырьковую камеру обычно заполняют жидким водородом или другими, более тяжелыми сжиженными газами - пропаном, фреоном, ксеноном и т. п. Как, и в камере Вильсона, ядре атомов рабочего вещества могут служить мишенями для ускоренных частиц. Так события, наблюдаемые в водородной камере, рассказывают о взаимодействии частиц с протонами (ядро водорода состоит из одного протона). Именно поэтому применение жидкого водорода в пузырьковых камерах представляет наибольший интерес. В других жидкостях частица взаимодействует со сложными ядрами, и однозначное толкование полученных снимков затрудняется.
Пузырьковая камера имеет хорошее пространственное разрешение (толщина следа порядка микрона!), и поэтому позволяет детально запечатлеть треки заряженных частиц. Камеры значительных размеров способны зарегистрировать и нейтральные продукты реакции по их взаимодействию с веществом камеры. Типичную для пузырьковой камеры картину взаимодействия показывает фотография, помещенная на цветной вкладке. Снимок рассказывает о том, как был открыт анти-минусомегагиперон - омега плюс. Эту фотографию, запечатлевшую столь редкое событие, пришлось выискивать из полумиллиона ей подобных.
Обрабатывать информацию, которую дает пузырьковая камера, нелегко. Сначала лаборантки просматривают все полученные фотографии, и отбирают из них те, где достаточно много «вилок». Отобранные снимки поступают на измерительные микроскопы. Все увиденное приборами автоматически засылается в электронно-вычислительную машину. На изучение каждой фотографии даже современная мощная ЭВМ тратит немало времени. Вот и получается, что с помощью пузырьковых камер практически невозможно исследовать очень редкие события, которые, скажем, происходят раз за сто тысяч взаимодействий пучковых частиц с веществом камеры.
Для исследования редких процессов, время от времени происходящих на фоне огромного множества посторонних событий, необходимо сделать детектор управляемым, то есть таким, чтобы он регистрировал не все, а лишь те взаимодействия, которые нас интересуют. Желательно, чтобы такой детектор работал побыстрей, чем пузырьковая камера за одну секунду на ней обычно удается получить всего лишь один снимок.
Такие детекторы были сконструированы. Это искровые камеры. Ниже мы познакомимся с устройством искровой камеры, а пока разберемся, каким образом она отличает нужное событие от ненужного, и кто дает команду на ее включение.
СХЕМА ЗАПУСКАЮЩЕГО ИМПУЛЬСА
Водной из предыдущих глав мы не случайно говорили так много о сцинтилляционных и черенковских счетчиках. Их прекрасное временное разрешение, и быстрая регистрация частиц дают возможность использовать эти счетчики в так называемых «схемах запускающего импульса»
Счетчики просматривают все проходящие сквозь них частицы и сообщают данные о них в логическую электронную схему, которая определяет, произошло ли нужное событие или нет. Если происшедшее событие - искомое, схема вырабатывает сигнал, который, и включает аппаратуру, работающую медленней, чем счетчики, но дающую о событии более подробную информацию. В примере, который мы приводим на цветной вкладке, этой аппаратурой являются искровые камеры. «Схема запускающего импульса» составлена для эксперимента по рассеянию К+ - мезонов на протонах.
ИСКРОВАЯ КАМЕРА
Это конденсатор, чаще всего плоскопараллельный, наполненный благородным газом - неоном, неон-гелиевой смесью, реже гелием или аргоном. На пластины конденсатора подается небольшое напряжение. Частица, проходя через искровую камеру, ионизирует атомы газа. По пути ее следования остаются положительно заряженные ионы и электроны, которые под влиянием электростатического поля медленно дрейфуют к пластинам.
Между тем логическая схема вырабатывает свое мнение о событии, и если оно признано искомым, на пластины конденсатора подается высоковольтный импульс. Электроны, медленно дрейфовавшие к положительной пластине, разгоняются; в их столкновениях с атомами газа образуются новые ионы и электроны; развиваются электронные лавины, лавины сливаются в искру, которая с треском проскакивает вдоль трека частицы. Эту искру можно сфотографировать или зарегистрировать любым другим способом.
По типу образования искры различают узкозазорные камеры, где искра развивается перпендикулярно пластинам, широкозазорные, где искра следует по треку частицы, если только ее угол не превышает 30 - 45° с направлением электрического поля; существуют, наконец, стриммерные камеры - здесь высоковольтный импульс обрывается сразу после того, как срабатывает фотоаппарат, - в результате на снимке получается ряд коротких искр вдоль следа частицы, независимо от его направления по отношению к электрическому полю.
Существует несколько методов регистрации искр. Простейшим, казалось бы, является оптический, или, попросту, фотографирование. Но здесь остаются почти все те же недостатки, которые были отмечены у пузырьковых камер, - трудоемкость просмотра фотоснимков, малая скорость набора информации (фотокамера в лучшем случае позволяет сделать несколько снимков в секунду). Правда, у искровой камеры здесь есть некоторые преимущества перед пузырьковой. Во-первых, она управляема можно фотографировать не все события подряд, а выборочно. Во-вторых, она дешева, и проста - построить ее можно в любой лаборатории, а создание большой пузырьковой камеры - дело государственного масштаба. Но следует помнить и о преимуществах пузырьковых камер существенно лучшая разрешающая способность, равноправие всех направлений, по которым частица может проложить след, и некоторые другие. Поэтому оба прибора успешно сосуществуют.
Чтобы облегчить обработку информации с искровых камер и сократить разрыв между проведением эксперимента, и получением результатов (а это зачастую играет решающую роль в управлении экспериментом), в последнее время стали применять автоматические методы регистрации искры с использованием ЭВМ непосредственно в экспериментальной установке. Машина «на линии», «on line» - так называют ее, часто употребляя английский термин вместо русского.
Наиболее распространенные методы такого использования камеры - ферритовый и магнитострикционный.
При первом из них электроды камеры выполняются в виде параллельных проволочек, расположенных на расстоянии примерно один миллиметр друг от друга. На проволочки надеты ферритовые кольца. Искра, ударив в, какую-нибудь проволочку, вызовет в ней электрический ток, а ферритовое кольцо, сидящее на этой проволочке, перемагнитится. Номер проволочки определяет координату точки, через которую проследовала частица, набор координат - траекторию. После завершения разряда выявляются перемагниченные кольца, информация о траектории частицы записывается в ЭВМ, а кольца возвращаются в исходное положение.
Теперь о магнитострикционном съеме. Здесь электроды - такие же проволочки. На них накладывается поперечная полоска магнитострикционного материала - такого, в котором под действием магнитного поля возникает упругая волна сжатия. По той проволочке, в которую ударила искра, начинает течь ток; магнитное поле, появившееся вокруг проволочки с током, возбуждает упругую волну в магнитострикционной ленте - в том месте, где ее касается проволочка, пораженная искрой. Волна распространяется в конец ленты, и, как только она его достигнет, сигнал об этом подается на электронные часы. Те измеряют время между пробоем, и появлением сигнала и сообщают его в ЭВМ. А так, как скорость распространения упругой волны известна, тотчас определяется координата пролетевшей частицы.Вычислительная машина во время свободное от записи информации с камер, может анализировать полученные данные, и сообщать экспериментатору о работе установки прямо по ходу эксперимента.
ПРОПОРЦИОНАЛЬНАЯ КАМЕРА
Современные ускорители способны создавать пучки интенсивностью до нескольких миллионов частиц в секунду. Идущие столь плотным потоком - по частице за каждую миллионную долю секунды! - они становятся неразличимыми для искровых камер, временное разрешение которых измеряется микросекундами. Оно определяется в основном временем памяти камеры, то есть тем временем, когда камера еще хранит информацию о пролетевшей частице. Уменьшать это время нельзя, иначе логическая схема не успеет решить, какое событие произошло - нужное или нет, - и подать на камеры высоковольтные импульсы. За то время, пока камера помнит нужное нам событие, через нее может пройти множество других, посторонних частиц. Пойди потом разберись, где чей трек!
Физики, и здесь вышли из положения, сконструировав так называемую пропорциональную камеру - своеобразную «искровую» камеру. без искры! Это плоский конденсатор с проволочными электродами между пластинами. Конденсатор постоянно находится под напряжением, так, что внутри него всегда есть электрическое поле. При прохождении частицы через камеру образуются такие же электронные лавины, как и в искровых камерах. Но приложенное поле недостаточно для развития искры. Электроны, образовавшиеся в результате ионизации, собираются на проволочном аноде, и дают импульс тока с напряжением порядка милливольта. Импульс усиливается и поступает в логическую схему. Номер проволоки определяет координату.
Пропорциональные камеры уменьшают временное разрешение до ста, и меньше наносекунд. Только большая стоимость считывающего устройства (ведь для каждой проволочки требуется свой «персональный» прибор, а проволочек таких - тысячи!) ограничивает их применение. Но широкое внедрение интегральных схем лишает пропорциональные камеры этого недостатка. И сейчас они находят все более широкое использование в экспериментальных установках.
Каждая клетка решетчатых квадратов, изображенных в правом верхнем углу вкладки, представляет собой отдельный счетчик. Собранные вместе, они именуются годоскопом. Два годоскопа, поставленные поперек пучка, и разнесенные вдоль него на некоторое расстояние, образуют так называемый телескоп. По номерам счетчиков, которые дали сигнал о прохождении частицы, можно определить ее траекторию. Расхождения в координатах, определенных по показаниям двух годоскопов, позволяют определить угловые отклонения от прямолинейного пути
Чем меньше размер счетчика, тем выше точность, с которой определяются координаты, - выше пространственное разрешение годоскопа. А точность углового измерения? Она оценивается величиной заштрихованного угла - частица могла пролететь вдоль любой прямой внутри него. Очевидно, угловое разрешение можно повысить, и уменьшая размеры счетчиков и увеличивая расстояние между годоскопами.
Ниже схематически изображены пузырьковая камера, искровые камеры с ферритовой, и магнитострикционной системой съема информации (левее показано, как развивается искра в узкозазорной, широкозазорной и стриммсрной камерах), и пропорциональная камера. О каждой из них рассказано в статье.
Расшифруем картину взаимодействия, представленную левым верхним снимком.
Пузырьковая камера была наполнена сжиженным тяжелым водородом - дейтерием (d). Дейтерий облучался пучком Л+-мезонов (каонов), разогнанных до энергии 12 Гэв. Вот один каон попал в ядро дейтерия (нижняя, самая первая «вилка»). Тотчас родились шесть новых частиц:
й+ - антиминус омега (омега плюс); р - протон; л+ и лпи-мезоны (пионы). Греки положительных частиц искривлены магнитным полем влево, отрицательных - вправо. Пятая, и шестая частицы - А-гипероны - нейтральные, не способные ионизировать ядро дейтерия, поэтому их следов не видно. Зато справа из «ничего» вдруг появилась другая «вилка» родилась пара - протон и л~-мезон. Теперь ясно, куда делся один из Л-гиперопов:
А другой так, и улетел из камеры, словно «невидимка», не провзаимодействовав ни с чем. Вы спросите, откуда мы знаем, что этот гиперон вообще был в камере? Используя законы сохранения импульса и сохранения странности (есть у элементарных частиц характеристика, и с таким любопытным названием), мы этот гиперон «вычислили», поняли, что не хватает, как раз его.
Q+ тоже долго не жил. Слева около начальной «вилки» его трек вдруг резко поворачивает. На самом деле это уже трек нового К+-мезона, образовавшегося вместе с Л-гипероном (антилямбда) при распаде Q+:
Л - частица нейтральная и следа не оставляет. Но слева вверху появилась новая «вилка»; А - распался на антипротон, и л+-мезон и вновь стал «видимым»:
Антипротон вскоре налетел на своего собрата из «реального мира» своеобразным фейерверком в левом верхнем углу фотографии запечатлелась аннигиляция антипротона с протоном.
На рисунке слева внизу - схема эксперимента по рассеянию, и + -мезонов на протонах. Л1 - мишень, жидкий водород. ЛКл - искровые камеры, с помощью которых исследуются продукты реакций, вылетающие из мишени под большими углами. ИК2 - другая группа искровых камер, которые собирают информацию об остальных частицах, появившихся в ходе реакции. Н - годоскопы, дающие пространственную информацию о пучковых частицах. S - сцинтилляционные счетчики, С - черенковские, А - экраны (разновидность сцинтилляционного счетчика).
Сигнал от S1, и S2 говорит о том, что частица - пучковая. Наличие сигнала в S3, и S4, и отсутствие его в Ai - что она отклонилась магнитным полем на нужный угол, а и, следовательно, имеет определенную энергию. (Отсутствие сигнала от счетчика на логической схеме установки, данной внизу, обозначено штриховкой соответствующего поля.) Черенковский счетчик С1 регистрирует при заданной энергии пучка лишь протоны, и А+-мезоны. Другие, более тяжелые частицы с такой энергией, поступающие с ускорителя, двигаются медленней, и на них Ci «не обращает внимания». Для того, чтобы убедиться, протон это или каон, ставят счетчик С2. Он зарегистрирует только протон (каон тяжелее, и двигается медленней). Значит, отсутствие сигнала от счетчика С2 говорит о том, что сквозь него прошел каон. Все вместе это означает, что пучковая частица К+ попала в мишень.
Наличие сигналов в S7, и S8, и их отсутствие в Аз, и А4 - информация о том, что частица пошла вбок, и остановилась в веществе Т. Наконец, появление сигнала в S5, и S6, и не появление его в А2 говорит о том, что пучковой частицы после, мишени нет, зато родились частицы, летящие вперед.
Все три признака необходимы, чтобы система совпадений СС выработала импульс, запускающий искровые камеры. Они еще «помнят» о прошедших частицах. В камерах появляются следы этих частиц, которые фотографируются или засылаются в ЭВМ.
