Куда уходит энергия

Измерение энергии элементарных частиц высоких энергий открывает путь к новым открытиям в физике элементарных частиц.Сехук Ли,Джон ХауптманиРичард Вигмансописать, как последние разработки в области калориметров помогают продвинуться в этой области.

Физики элементарных частиц используют калориметры того или иного типа уже около 70 лет. Основной принцип этих «рабочих лошадок» прост: идея состоит в том, чтобы измерять энергии элементарных частиц, таких как электрон, протон и нейтрон, а также искусственно созданных частиц, таких как пионы и каоны, отправляя их в плотную среду, где они взаимодействовать. Каждое взаимодействие производит больше частиц с более низкими энергиями, которые также взаимодействуют со средой, и процесс продолжается до тех пор, пока энергия исходной частицы полностью не исчерпается. Перемежая среду взаимодействия зарядовыми детекторами и суммируя записанные сигналы, мы можем получить измерение полной энергии исходной частицы.

На изображении выше показан «ливень» частиц, индуцированный электроном высокой энергии. Здесь заряженные частицы ливня (электроны и антиэлектроны, или позитроны) становятся видимыми через камеру Вильсона: классический тип калориметра, называемый выборочным калориметром. Развитие этих ливней частиц носит весьма случайный характер. Число частиц, рожденных в ливне, N, является прямой мерой энергии E инициирующей частицы. N соответствует распределению Пуассона, поэтому случайные флуктуации N равны √N и, следовательно, относительная точность N, которая является энергетическим разрешением, равна √N/N. Энергетическое разрешение представляет собой простую формулу σE/E ≈ k/√E. Этот калориметр с камерой Вильсона имеет k ≈ 85%, если E выражается в единицах ГэВ (для справки: энергия массы покоя протона составляет около 1 ГэВ); для современного электромагнитного пробоотборного калориметра k обычно составляет 10% или лучше.

Энергию электронов легко измерить в калориметрах, поскольку эти частицы взаимодействуют посредством электромагнитной силы, имея только два простых разрешенных взаимодействия. Напротив, частицы, подверженные сильному ядерному взаимодействию (такие как протоны, нейтроны, пионы и каоны, известные под общим названием адроны), взаимодействуют посредством множества широко варьирующихся механизмов, с дополнительными сложностями, связанными с разрушением ядер и затратами энергии на энергию ядерной связи. .

Огромная сложность потока адронов иллюстрируется на рисунке 1, где показаны результаты моделирования (созданного с использованием кода CERN GEANT4) протона с энергией 500 ГэВ, входящего в медный поглотитель. Заряженные адроны показаны синим цветом, а электроны и позитроны — красным. Визуально интенсивность цвета указывает на количество энергии, потерянной частицами, и представляет собой сигнал, генерируемый калориметром.

Взаимодействия частиц в таких ливнях представляют собой сложную, но очень важную область исследований в физике элементарных частиц, и в рамках научно-исследовательского проекта CERN RD52 мы изучаем их с помощью калориметра нового типа (полные результаты проекта доступны на сайте www.phys.ru). .ttu.edu/~dream, где можно увидеть коллекцию адронных ливней, индуцированных протонами в медном поглотителе). Эти инструменты с «двойным считыванием» сделаны из меди или свинца и снабжены двумя типами оптических волокон: сцинтилляционными волокнами, воспринимающими все заряженные частицы, и прозрачными волокнами, в которых черенковский свет генерируется преимущественно электронами и позитронами ливня. Эти два совершенно разных сигнала ливня используются в сочетании для высокоточного измерения энергий адронов, включая, что наиболее важно, энергии «струй» частиц, образующихся в результате фрагментации кварка или глюона, образующихся в результате фундаментальных взаимодействий, таких как те, которые изучались на Большом адроном коллайдере ЦЕРН и других объектах по всему миру.

Калориметр, специально предназначенный для измерения этих струй частиц, показан на рисунке 2. Он состоит из волокон диаметром 1 мм с центрами 1,5 мм, равномерно рассеянных в медном поглотителе. Размер этого поглотителя определяется характерными расстояниями взаимодействия электронов и адронов. Расстояние, на котором электрон будет взаимодействовать и производить больше частиц, называется длиной излучения и для большинства металлов (включая медь) составляет около сантиметра. Соответствующее расстояние, на котором адроны будут взаимодействовать, известно как длина ядерного взаимодействия. Это значительно больше, обычно 20–30 см, и для полного поглощения адронного ливня требуется несколько длин ядерного взаимодействия. Разница очевидна в моделируемом ливне на рисунке 1, где показано, что синие заряженные адроны перед взаимодействием проходят большие расстояния. Электроны и позитроны, окрашенные в красный цвет, явно взаимодействуют в гораздо более коротком масштабе. Красные точки цвета соли и перца, видимые по всему объему, представляют собой электроны от комптоновского рассеяния фотонов низкой энергии (около 1 МэВ), которые имеют минимальное сечение для взаимодействия при этой энергии и, следовательно, пространственно распространяются в калориметре.