Иногда они возвращаются. Или история одного метода детектирования частиц
В далеком 1952 г. Дональд Глейзер поделился с коллегами своей новаторской идеей о детектировании заряженных частиц. Всяких там фейсбуков в то время еще не существовало, поэтому Дональду пришлось немного заморочиться и написать по этому поводу статью в научный журнал. Правда, поговаривают, в то время еще не было такого жесткого рецензирования статей как сейчас, так что дело это было нехитрое. Так вот, собственно, идея была в чем? Возьмем, говорит, очень чистую жидкость. Если жидкость, ну, очень-очень чистая в ней не будет центров образования пара и её можно "перегреть" - нагреть до температуры больше температуры кипения. Чистая жидкость такое стерпит и будет чистой и однородной. А теперь запустим в неё заряженную частицу. Это частица, пролетая, мимоходом, начнет выбивать из атомов жидкости электроны. И оставлять на своём пути электроны и ионы. А вот они-то центры парообразования, между прочим. В итоге жидкость вскипит и причем не где-нибудь, а аккурат по пути пролета заряженной частицы начнут появляться пузырьки пара. "Ну, а дальше вы знаете" - сказал Глейзер.
И действительно что делать дальше знали все. В то время одной из "must have" составляющей установки для экспериментов с частицами была фотокамера. Любителям такие фотосъемки и не снились: физики делали по снимку в миллисекунду. Так что способ визуализации траекторий частиц пузырьками был очень кстати. Тем более что по плотности и размеру пузырьков можно было еще и определить энергию частицы.
Коллеги сказали: "Вау!". Такие детекторы, названные пузырьковыми камерами, стали сооружать по всему миру. Глейзеру дали нобелевскую премию (1960г). А пузырьковыми камерами пользовались еще добрых 30 лет, вплоть до середины 80х.
Типичный эксперимент выглядел так. Пучком частиц стреляли в мишень, от столкновения частиц пучка с частицами мишени рождались новые частицы, которые разлетались от места столкновения. На их пути ставили детектор, например пузырьковую камеру, и быстро-быстро фотографировали что происходит в детекторе.
Дабы придать сухому описанию выше хоть какую-то визуальность, я вам тут картинку нарисовала.
Называется "Частицы летят фотографироваться":
Как всегда техническая реализация потребовала кое-каких усилий. Во-первых нужны были очень большие объемы чистой жидкости (до 40 кубометров). Во-вторых, чтобы привести жидкость в состояние в перегрева её обычно сначала сжимали под большим давлением (~5 атм), а затем давление резко, милисекунд за 10, снижали (где-то до 2 атм). Причем как нагрев, так и перегрев нужно было делать во всем объеме одновременно.
Выглядела такая установка весьма внушительно, по-крайней мере за счет объемов. Вот например пузырьковая камера из Fermilab, 15 футов:
В Fermilab кстати оригинально подошли к решению вопроса как поместить подобную бандуру в здание:
Оригинально даже с точки зрения стройматериалов:
для панелей "крыши" тут использовали алюминиевые банки из-под газировки
Пожалуй, главный недостаток пузырьковых камер - это именно то за что их все и полюбили - визуальный сигнал. Зарегистрировать что в них происходит можно было только с помощью фотосъемки. Вот так к примеру выглядит типичная фотография с пузырьковой камеры:
(слева - снимок, справа - его расшифровка в виде диаграммы. )
Анализировать такие события, а тем более найти нужные среди сотни тысяч других было довольно сложно. О том чтобы найти что-то очень редкое среди миллионов снимков можно было даже не мечтать. Кроме того, снимки с неё нельзя было делать очень уж часто. "Очистка места съемки", т.е подавление пузырьков от предыдущего события занимала существенное время.
Между тем, были придуманы другие методы детектирования, которые создавали электрические сигналы. Те в свою очередь можно было быстро передать на обработку компьютеру. Более того, прогресс дошел до того, что события с детектора "преобрабатываются" и для последующего анализа записываются только самые интересные. Теперь можно даже детектор настроить таким образом, что он включается только если в нём действительно летит частица. Как провернуть такой фокус с пузырьковыми камерами не придумали, так что они ушли в забытье.
О них если и вспоминали, то только в качестве демонстрационных установок. На неподготовленного зрителя производит большое впечатление когда однородная жидкость в сосуде вдруг начинает бурлить по каким-то определенным траекториям. Для таких демонстрационных экспериментов даже ускорителя не надо: космические частицы вполне справятся с задачей.
В плане применения в современных экспериментах вспомнили про идею Глейзера совершенно недавно. И для чего вы бы думали? Для поиска Темной Материи (ТМ)! Собственно главная проблема с ТМ, в том что она не хочет взаимодействовать с частицами нашего мира. Делает это неохотно и слабо. Для такого слабого сигнала у типичных современных детекторов просто не хватает чувствительности. А вот добиться такой чувствительности от пузырьковой камеры можно сравнительно небольшими усилиями. В настоящее время есть три направления развития этой техники:
1) классические пузырьковые камеры
2) камеры с перегретыми каплями (Superheated Droplet Detector)
Здесь капли фреона (размером ~100 микрон) помещают в однородный гель с плотностью как у фреона. Как и в классической пузырьковой камере, система находится под давлением. Также пролетающая мимо частица "порождает" пузырек фреонового газа. Вот только тут пузырек застревает в окружающем каплю геле. От этого по гелю идет акустическая ударная волна. А волну эту можно зарегистрировать с помощью пьезодатчиков, по сути микрофонов.
По такому принципу работает детектор PICASSO в SNOLAB, Канада.
[Честно говоря, больше напоминает хитрое устройство для производства самогонки. Но нет, это реальная установка по поиску Тёмной Материи, честно-честно]
3) камеры, работающие по принципу гейзера (Geyser technique)
Здесь опять используется фреон как основа. Только теперь жидким фреоном заполняют большую часть объема и его держат при постоянной температуре. Над ним находится другая жидкость - гликоль, при более низкой температуре чем фреон. Фреоновую жидкость доводят до состояния перегрева. И в том месте, где темная материя её нечаянно стукнет - она разразится пузырьками, которые будут увеличиваться в размерах, всплывать и выталкивать жидкость перед собой (Реально похоже на гейзер). Однако верхняя жидкость быстро охладит их пыл - газ переходит в жидкость и система снова готова к работе. Пузырьки во фреоне непрерывно снимают на цифровую камеру с частотой 50 кадров/сек, однако в запись идут только кадры с изображением пузырьков (+\- 50 кадров)
Эта новая методика в физике частиц пока была применена только на прототипе установки MOSCAB, которую готовят для Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Италии.
Фоточки с прототипа, полученные буквально в прошлом году:
Веет конечно какой-то винтажностью =)
Короче говоря, всё новое это хорошо забытое старое. Так что никогда не верьте старшему товарищу, если он говорит: "Ну, в этом-то можешь сильно не разбираться. Сейчас так уже никто не делает". Ему-то что, а вам потом без Нобелевской премии жить ;)
И действительно что делать дальше знали все. В то время одной из "must have" составляющей установки для экспериментов с частицами была фотокамера. Любителям такие фотосъемки и не снились: физики делали по снимку в миллисекунду. Так что способ визуализации траекторий частиц пузырьками был очень кстати. Тем более что по плотности и размеру пузырьков можно было еще и определить энергию частицы.
Коллеги сказали: "Вау!". Такие детекторы, названные пузырьковыми камерами, стали сооружать по всему миру. Глейзеру дали нобелевскую премию (1960г). А пузырьковыми камерами пользовались еще добрых 30 лет, вплоть до середины 80х.
Типичный эксперимент выглядел так. Пучком частиц стреляли в мишень, от столкновения частиц пучка с частицами мишени рождались новые частицы, которые разлетались от места столкновения. На их пути ставили детектор, например пузырьковую камеру, и быстро-быстро фотографировали что происходит в детекторе.
Дабы придать сухому описанию выше хоть какую-то визуальность, я вам тут картинку нарисовала.
Называется "Частицы летят фотографироваться":
Как всегда техническая реализация потребовала кое-каких усилий. Во-первых нужны были очень большие объемы чистой жидкости (до 40 кубометров). Во-вторых, чтобы привести жидкость в состояние в перегрева её обычно сначала сжимали под большим давлением (~5 атм), а затем давление резко, милисекунд за 10, снижали (где-то до 2 атм). Причем как нагрев, так и перегрев нужно было делать во всем объеме одновременно.
Выглядела такая установка весьма внушительно, по-крайней мере за счет объемов. Вот например пузырьковая камера из Fermilab, 15 футов:
В Fermilab кстати оригинально подошли к решению вопроса как поместить подобную бандуру в здание:
Оригинально даже с точки зрения стройматериалов:
для панелей "крыши" тут использовали алюминиевые банки из-под газировки
Пожалуй, главный недостаток пузырьковых камер - это именно то за что их все и полюбили - визуальный сигнал. Зарегистрировать что в них происходит можно было только с помощью фотосъемки. Вот так к примеру выглядит типичная фотография с пузырьковой камеры:
(слева - снимок, справа - его расшифровка в виде диаграммы. )
Анализировать такие события, а тем более найти нужные среди сотни тысяч других было довольно сложно. О том чтобы найти что-то очень редкое среди миллионов снимков можно было даже не мечтать. Кроме того, снимки с неё нельзя было делать очень уж часто. "Очистка места съемки", т.е подавление пузырьков от предыдущего события занимала существенное время.
Между тем, были придуманы другие методы детектирования, которые создавали электрические сигналы. Те в свою очередь можно было быстро передать на обработку компьютеру. Более того, прогресс дошел до того, что события с детектора "преобрабатываются" и для последующего анализа записываются только самые интересные. Теперь можно даже детектор настроить таким образом, что он включается только если в нём действительно летит частица. Как провернуть такой фокус с пузырьковыми камерами не придумали, так что они ушли в забытье.
О них если и вспоминали, то только в качестве демонстрационных установок. На неподготовленного зрителя производит большое впечатление когда однородная жидкость в сосуде вдруг начинает бурлить по каким-то определенным траекториям. Для таких демонстрационных экспериментов даже ускорителя не надо: космические частицы вполне справятся с задачей.
В плане применения в современных экспериментах вспомнили про идею Глейзера совершенно недавно. И для чего вы бы думали? Для поиска Темной Материи (ТМ)! Собственно главная проблема с ТМ, в том что она не хочет взаимодействовать с частицами нашего мира. Делает это неохотно и слабо. Для такого слабого сигнала у типичных современных детекторов просто не хватает чувствительности. А вот добиться такой чувствительности от пузырьковой камеры можно сравнительно небольшими усилиями. В настоящее время есть три направления развития этой техники:
1) классические пузырьковые камеры
2) камеры с перегретыми каплями (Superheated Droplet Detector)
Здесь капли фреона (размером ~100 микрон) помещают в однородный гель с плотностью как у фреона. Как и в классической пузырьковой камере, система находится под давлением. Также пролетающая мимо частица "порождает" пузырек фреонового газа. Вот только тут пузырек застревает в окружающем каплю геле. От этого по гелю идет акустическая ударная волна. А волну эту можно зарегистрировать с помощью пьезодатчиков, по сути микрофонов.
По такому принципу работает детектор PICASSO в SNOLAB, Канада.
[Честно говоря, больше напоминает хитрое устройство для производства самогонки. Но нет, это реальная установка по поиску Тёмной Материи, честно-честно]
3) камеры, работающие по принципу гейзера (Geyser technique)
Здесь опять используется фреон как основа. Только теперь жидким фреоном заполняют большую часть объема и его держат при постоянной температуре. Над ним находится другая жидкость - гликоль, при более низкой температуре чем фреон. Фреоновую жидкость доводят до состояния перегрева. И в том месте, где темная материя её нечаянно стукнет - она разразится пузырьками, которые будут увеличиваться в размерах, всплывать и выталкивать жидкость перед собой (Реально похоже на гейзер). Однако верхняя жидкость быстро охладит их пыл - газ переходит в жидкость и система снова готова к работе. Пузырьки во фреоне непрерывно снимают на цифровую камеру с частотой 50 кадров/сек, однако в запись идут только кадры с изображением пузырьков (+\- 50 кадров)
Эта новая методика в физике частиц пока была применена только на прототипе установки MOSCAB, которую готовят для Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Италии.
Фоточки с прототипа, полученные буквально в прошлом году:
Веет конечно какой-то винтажностью =)
Короче говоря, всё новое это хорошо забытое старое. Так что никогда не верьте старшему товарищу, если он говорит: "Ну, в этом-то можешь сильно не разбираться. Сейчас так уже никто не делает". Ему-то что, а вам потом без Нобелевской премии жить ;)