Детекторы элементарных частиц — это устройства, предназначенные для регистрации, идентификации и измерения характеристик частиц, рождающихся в результате высокоэнергетических взаимодействий. Современные установки представляют собой сложные многослойные системы, каждый из компонентов которых выполняет специализированные функции: от регистрации следа частицы до точного измерения её энергии, импульса и типа.
В широком смысле, детекторы классифицируются по следующим признакам:
Современные эксперименты, такие как ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК), используют комбинированные системы, включающие в себя несколько типов детекторов, размещённых концентрически.
Одними из первых и до сих пор широко используемых детекторов являются газовые. Они основаны на регистрации ионизации газа, вызванной прохождением заряжённой частицы. Электроны и ионы, образованные в результате ионизации, ускоряются внешним электрическим полем и индуцируют измеримый ток.
Основана на эффекте конденсации пересыщенного пара на ионах, образованных заряжённой частицей. Позволяет визуализировать треки, но не используется в современных экспериментах из-за низкой скорости регистрации.
Использует градиент температуры для создания зоны пересыщенного пара. Траектории частиц видны как нити капель, образующихся вдоль ионизационного пути.
При подаче высокого напряжения между анодной проволокой и катодной оболочкой создаётся сильное электрическое поле, способствующее лавинообразному умножению электронов. Сигнал пропорционален числу первичных ионизаций.
Высоковольтные импульсы инициируют искры вдоль трека заряжённой частицы между проволоками. Обеспечивают визуализацию следов на фотографии или ПЗС-матрице.
В трековых системах дрейфовое время электронов от точки ионизации до анодной проволоки даёт информацию о координатах взаимодействия. Позволяют достичь высокой пространственной точности (порядка 100 мкм).
Твёрдотельные или полупроводниковые детекторы обеспечивают высокую точность пространственного разрешения и быстрый отклик, что делает их незаменимыми в трековых системах ближнего детектирования.
Тонкие полосы легированного кремния образуют чувствительные каналы, в которых при пролёте частицы возникает пара электрон–дырка. Заряды собираются на электродах и считываются электроникой.
Разделяют активную область на двумерную сетку пикселей, каждый из которых функционирует как независимый детектор. Обеспечивают точность отслеживания до 10 мкм и применяются вблизи точки столкновения частиц.
Калориметры измеряют полную энергию частицы за счёт её полного поглощения. Делятся на электромагнитные (для фотонов и электронов) и адронные (для протонов, нейтронов, пионов и др.).
Частицы вызывают электромагнитный ливень — каскад вторичных электронов и фотонов. Примеры технологий: кристаллы (PbWO₄), сцинтилляторы, жидкий аргон. Важнейшая характеристика — разрешение по энергии:
$$ \frac{\Delta E}{E} = \frac{a}{\sqrt{E}} \oplus b \oplus \frac{c}{E} $$
где a — статистическая составляющая, b — постоянная составляющая, c — шумовая составляющая.
Регистрируют адронные ливни, содержащие мезоны, нуклоны и фотоны. Используют чередующиеся слои поглотителя (железо, свинец) и чувствительного материала (пластиковые сцинтилляторы, газовые камеры).
Сцинтилляторы испускают фотоны при прохождении заряжённой частицы. Свет регистрируется фотоумножителями (ФЭУ) или кремниевыми фотомножителями (SiPM). Применяются в триггерных системах, калориметрах, временных детекторах (TOF).
Характеризуются следующими параметрами:
Черенковское излучение возникает при движении заряжённой частицы со скоростью выше фазовой скорости света в среде. Характерным является излучение в форме конуса под углом:
$$ \cos \theta = \frac{1}{\beta n} $$
где β = v/c, n — показатель преломления среды.
Черенковские детекторы позволяют:
Переходное излучение возникает при прохождении релятивистской частицы через границу сред с разной диэлектрической проницаемостью. Детекторы переходного излучения (TRD) состоят из многослойной фольги и сцинтилляторов или пропорциональных камер.
Используются для измерения скорости частицы на основе точного определения времени прохождения между двумя точками. Совмещаются с трековой и калориметрической информацией для идентификации частицы по массе:
$$ m = \frac{p}{\gamma v} = \frac{p}{v} \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} $$
TOF-системы требуют времени разрешения на уровне порядка 10–100 пикосекунд. Часто реализуются на базе быстрых сцинтилляторов с ФЭУ или многоканальных MCP-PMT.
В трековых детекторах, помещённых в магнитное поле, заряжённые частицы движутся по изогнутым траекториям. Радиус кривизны R связан с импульсом p по закону:
p = qBR
где q — заряд частицы, B — индукция магнитного поля. Совместное использование кремниевых детекторов и газовых камер позволяет достигать высокой точности определения импульса.
В условиях высоких скоростей столкновений (до 40 МГц на БАК) невозможно записывать все события. Используется многоуровневая триггерная система:
Современные DAQ-системы (Data Acquisition) обрабатывают петабайты информации в реальном времени, распределяют её по вычислительным кластерам и хранят в глобальных хранилищах (Grid).
Детекторы работают в экстремальных условиях радиации, особенно в зонах близких к точке взаимодействия. Необходимы материалы с высокой радиационной стойкостью:
Полный детектор высокого уровня (например, CMS) содержит слои:
Каждый элемент проектируется с учётом механических, тепловых и радиационных требований, а также синхронизации с остальными компонентами.
После регистрации информации с миллионов каналов начинается этап реконструкции события:
Используются сложные алгоритмы машинного обучения и графовые методы, обеспечивающие высокую эффективность при многомиллионных скоростях событий.
Результаты представляются в виде событийных дисплеев, отображающих треки, энергии, вершины и другие параметры в наглядной форме.