Современная физика элементарных частиц немыслима без применения разнообразных детекторов, предназначенных для регистрации и анализа взаимодействий элементарных частиц. Основное назначение детектора — преобразование сигнала от пролетающей или взаимодействующей частицы в измеряемую величину: электрический ток, свет, тепловой импульс или цифровую информацию. Детекторы классифицируются по физическому принципу действия, типу регистрируемых частиц и целям измерений.
Основные типы детекторов:
Каждый класс имеет уникальные преимущества в контексте пространственного разрешения, временной точности, чувствительности к различным типам частиц и диапазонам энергий.
Газовые детекторы являются одними из первых типов регистрирующих устройств, использующих ионизацию газа при прохождении через него заряженной частицы. Основные устройства:
Работает на основе сбора ионов и электронов, возникающих в газе под действием ионизации. Электрическое поле между анодом и катодом направляет заряды к электродам, где возникает измеряемый ток. Характеризуется высокой стабильностью, но сравнительно низким усилением сигнала.
При увеличении напряжения до нескольких сотен вольт ионизационные электроны ускоряются настолько, что могут ионизировать дополнительные атомы — начинается лавинный процесс. Выходной сигнал пропорционален начальному ионизационному заряду. Такие камеры обеспечивают точное измерение энергии.
При ещё большем напряжении ионизация переходит в неконтролируемый лавинный режим, в результате чего сигнал становится одинаковым для всех частиц. Используется только как индикатор присутствия частицы, не давая информации об энергии.
Используют множество тонких анодов, натянутых в объёме, заполненном газом. Широко применяются в виде дрейфовых камер и многопроволочных пропорциональных камер (МППК) с высокой пространственной точностью.
Сцинтилляторы преобразуют энергию заряженной частицы в световой импульс. Используются как органические (пластики, жидкие), так и неорганические (кристаллы NaI(Tl), CsI, BGO) материалы.
Свет, возникающий при прохождении частицы, собирается световодами и регистрируется фотоумножителями (ФЭУ) или кремниевыми фотопреобразователями (SiPM). Важнейшие параметры: световыход, время спада и радиационная стойкость.
Сцинтилляторы применяются:
Полупроводниковые сенсоры, чаще всего на основе кремния (Si) или германия (Ge), предоставляют высочайшее пространственное разрешение и отличную энергетическую чувствительность.
Под действием внешнего смещения зона истощения расширяется, и пролетающая частица, создающая электрон-дырочные пары, генерирует ток. Благодаря низкому шуму и высокой плотности носителей сигнала такие детекторы обеспечивают точное измерение dE/dx.
Используются в вертексных системах коллайдеров. Состоят из матриц изолированных чувствительных областей, позволяющих точно реконструировать треки. Применяются в экспериментах ATLAS, CMS и ALICE на LHC.
Черёнковское излучение возникает, когда частица движется в среде с фазовой скоростью выше скорости света в этой среде. Световое излучение регистрируется фотодетекторами, и по углу излучения определяется скорость частицы.
Черенковские детекторы делятся на:
Такие детекторы особенно полезны при различении лёгких и тяжёлых частиц (π, K, p) при высоких энергиях.
Калориметры измеряют энергию частиц путём полного их поглощения. Различают:
Предназначены для регистрации фотонов и электронов, которые инициируют электромагнитные ливни (через процессы тормозного излучения и рождения пар). Используются кристаллы (PbWO₄, CsI), а также сэндвич-структуры (Pb + сцинтиллятор).
Регистрируют адроны, вызывающие каскады через неупругие ядерные взаимодействия. Обычно более массивны, имеют большую глубину поглощения. Состоят из чередующихся слоёв поглотителя (Fe, Pb) и чувствительного материала.
Могут быть гомогенными (весь объём — чувствительный материал) или сэмплирующими (только часть). Общие параметры: энергетическое разрешение, линейность, радиационная стойкость.
Принцип действия основан на измерении времени прохождения частицы между двумя точками, что позволяет определить её скорость. TOF-системы используются для идентификации частиц совместно с измерением импульса, полученного трековыми детекторами. Детекторы времени пролёта требуют высокой временной точности (порядка 10–100 пс) и часто строятся на базе быстрых сцинтилляторов с SiPM или MCP-фотопомножителями.
Позволяют реконструировать траектории движения частиц в магнитном поле. Используются:
Из-за чрезвычайно малой сечения взаимодействия нейтрино требуют массивных и чувствительных установок:
Обычно нейтрино детектируются по вторичным заряженным лептонам, возникающим при нейтринном взаимодействии с веществом.
Измерение импульса заряженных частиц осуществляется по кривизне трека в магнитном поле. Радиус кривизны связан с поперечным импульсом по формуле:
pT = 0.3 ⋅ B ⋅ R
где pT — поперечный импульс в ГэВ/с, B — магнитное поле в Теслах, R — радиус в метрах.
Совмещение трекеров и магнитных систем позволяет точно определять импульс и заряд частиц.
Современные эксперименты, такие как CMS и ATLAS, объединяют множество детекторных технологий в интегрированные системы, обеспечивая полноту информации о каждой элементарной частице, её происхождении, энергии, импульсе и идентичности.