sâmbătă, 18 iulie 2009

Aventura particulelor elementare - Cum analizăm coliziunile de particule?

După ce un accelerator a pompat suficientă energie în particulele sale, ele se ciocnesc fie de o ţintă, fie una cu cealaltă. Fiecare dintre aceste coliziuni este numit un eveniment. Scopul fizicienilor este de a izola fiecare eveniment, de a colecta date din el şi a verifica dacă procesele identificate în acest eveniment sunt conforme cu teoria, teorie care este astfel testată.

Fiecare eveniment este foarte complicat din moment ce multe particule sunt produse. Cele mai multe din aceste particule au durată de viaţă atât de scurtă încât ele parcurg o distanţă extrem de scurtă înainte de a se descompune (dezintegra) în alte particule, şi în consecinţă nu lasă urme detectabile. Cum poate un fizican să determine ce s-a întâmplat dacă nu poate înregistra niciodată prezenţa mai multor particule cheie?

Detectoare

Aşa cum Rutherford a folosit urma lăsată de de particulele invizibile alfa pe un ecran de sulfat de zinc pentru a “vizualiza” aceste particule şi a folosit aceste informaţii pentru a determina traiectoria urmată de particulele alfa, fizica modernă trebuie să analizeze produsele de dezintegrare ale ale particulelor şi din acestea să deducă existenţa acestor particule.

Aha! Aşadar dacă văd un proton şi un electron pot banui că un neutron s-a dezintegrat!

Pentru a analiza aceste particule variate şi produsele de descompunere, fizicienii au proiectat detectoare ce conţin multe componente pentru a observa diversele aspecte ale unui eveniment. Fiecare componentă a unui detector modern este folosită pentru a măsura energii şi impulsuri, şi/sau pentru a distinge tipuri diferite de particule. Când toate aceste componente lucrează împreună pentru a detecta un eveniment, particulele individuale pot fi scoase în relief din multitudini pentru analiză ulterioară.

Urmărind fiecare eveniment, calculatoarele colectază şi interpretază marea cantitate de date din detectoare şi prezenta rezultatele fizicienilor.

Diferite forme de detectoare

Fizicienii sunt curioşi despre evenimentele care apar în timpul şi după coliziunea particulelor. Din acest motiv, ei au amplasat detectoare în regiunile din jurul punctului de coliziune, regiune care va fi inundată cu particule create în această coliziune. Detectoarele sunt construite în moduri diferite, conform tipului de coliziuni pe care le analizează.

Detecor pentru experimente cu ţinta fixă: La un experiment cu ţintă fixă particulele produse merg în general în direcţia din faţă, deci detectoarele sunt de forma uni con şi sunt plasate “în aval” faţă de punctul de coliziune.

Detector pentru ciocniri de fascicule: În timpul unui experiment de ciocniri de fasicule, particulele radiază în toate direcţiile, deci detectorul este sferic, sau, mult mai des întâlnit, cilindric.

Detectoarele moderne

Detectoarele moderne sunt alcătuite din mai multe piese diferite de echipament care testează aspecte diferite ale unui eveniment (de o ciocnire de particule). Aceste componente numeroase sunt aranjate într-un fel, astfel încât fizicienii pot obţine maximul de date despre particulele create de un eveniment. Acesta este un model schematic al unui detector modern obişnuit.

Camera de traiectorie ("tracking chamber", camera unde se identifică urmele sau traiectoriile particulelor încărcate electric): Regiunea interioară a detectorului este umplută cu mai multe tipuri de dispozitive sensibile foarte segmentate, astfel încât traiectoriile sarcinilor electrice să poată fi foarte exact determinate.

Calorimetrul electromagnetic: Dispozitivul măsoară energia totală a electronilor (e-), pozitronilor (e+) şi fotonilor. Aceste particule produc în material jerbe electromagnetice formate din perechi electrono-pozitron. Electronii şi pozitronii sunt deviaţi de câmpurile electrice ale atomilor, provocându-i să radieze fotoni. Fotonii produc apoi la rândul lor perechi e-/e+, care apoi radiază iaraşă fotoni, etc. Numărul final de perechi e+/e- este proporţional cu energia particulei iniţiale.

Calorimetru hardonic (calorimetrul de hadroni): Dispozitivul măsoară energia totală a hadronilor. Hadronii interacţionează cu materialul dens din acestă regiune, producând o jerbă de particule încărcate electric. Energia pe care aceste particule o depozitează este apoi măsurată, determinându-se astfel energia hadronilor iniţiali.

Camerele pentru detectarea muonilor: Doar muonii şi neutrinii ajung atât de departe. Muonii sunt detectaţi, însă neutrinii care interacţionează tare tare slab cu alte particule scapă nedetectaţi. Prezenţa neutrinilor poate fi dedusă din energia "lipsă".

Magnet: Traiectoria unei particule încărcate electric se curbează într-un câmp magnetic. Raza şi direcţia curburii ne revelează impulsul şi semnul sarcinii electrice.

Componente tipice de detector

Motivul pentru care detectoarele sunt împărţite în mai multe componente este că fiecare componentă măsoară anumite proprietăţi ale particulelor. Aceste componente sunt stivuite astfel încât toate particulele vor străbate secvenţial toate straturile. O particulă nu va fi identificată până când fie interacţionează cu detectorul într-o manieră măsurabilă, fie se descompune (dezintegrează) în particule detectabile.

Interacţiunea mai multor particule cu diferitele componente ale unui detector. Neutrinii nu sunt arătaţi în acestă diagramă deoarece interacţionează rar cu materia şi pot fi detectaţi doar de materia şi energia care lipseşte. Pe de altă parte, pion-ul (pi) este un meson încărcat electric.

Câteva lucruri importante de luat în considerare: Particulele încărcate electric, cum ar fi electronii sau protonii, sunt detectate atât în camera de traiectorie, cât şi în calorimetrul electromagnetic.Particulele neutre, cum at fi neutronii şi fotonii, nu sunt detectabile în camera de traiectorie; ele sunt evidente doar când interacţionează cu detectorul. Fotonii sunt detectaţi de calorimetrul electromagnetic, în timp ce neutronii sunt evidenţiaţi de energia pe care o depozitează în calorimetrul de hadroni. Fiecare tip de particulă are propria-i «semnătură» în detector. De exemplu, dacă un fizician detectează o particulă doar în calorimetrul electromagnetic, atunci este aproape sigur că a observat un foton.

Întrebare: Un electron şi un positron au fost produşi când o particulă şi antiparticula sa s-au ciocnit cap în cap, intrând şi ieşind din ecran. Ce lege a conservării pare a fi incălcată în acest proces? Sarcina electrică? Numărul de leptoni? Impuls? Energie? Răspuns: Conservarea impulsului pare a fi încălcată, însă acolo au fost creaţi şi neutrini care au trecut neobservaţi.



Cum măsurăm sarcina electrică şi impulsul?

O funcţie importantă a detectorului este aceea de a măsura sarcina electrică şi impulsul unei particule. Din acest motiv, părţile interioare ale detectorului, în special camera de traiectorie sunt într-un câmp magnetic puternic. Semnul sarcinii electrice ale unei particule poate fi uşor identificat după traiectoria lor, din moment ce particulele pozitive şi negative îşi curbează traiectoria în direcţii opuse atunci când se află în acelaşi câmp magnetic.

Impulsurile particuleleor pot fi calculate din moment ce traiectoriile particulelor cu impuls mai mare sunt curbate mai puţin decât acelea ale particulelor cu impulsuri mai mici. Aceasta deoarece o particulă cu impuls mai mare va petrece mai puţin timp în câmpul magnetic sau va avea o inerţie mai mare decât particula cu impuls mai mic şi aceasta duce la o deviere mai mică în câmpul magnetic.



Secţiune transversală printr-un detector

Pentu a vă oferi o idee a traseelor pe care particulele le vor urma în drumul lor prin un detector, iată o secţiune transversală a unui detector, privind prin tubul prin care pătrund fasciculele. De observat locurile diferite unde mai variatele tipuri de particule vor fi detectate. Fizicienii îşi pot da seama de tipul particulei bazandu-se pe locul unde a depozitat energie aceea particulă în detector.

Următoarele şase imagini provin de la un detector modern şi arată câteva din posibilele moduri de dezintegrare ale particulei Z . O particulă Z de dezintegrează în un timp aşa de scurt, încât nu apucă să fie văzută direct, ci numai prin particulele în care se descopune, dacă acestea sunt detectate. Încearcăţi să identificaţi particulele care au părăsit aceste traiectorii, apoi citiţi explicaţia de sub poză.

Particula Z se descopune în un electron şi în antiparticula sa, un pozitron.

Particula Z se descopune într-un muon şi antiparticula sa, un antimuon.

De asemenea, particulele Z se descompun în anumite particule care apoi se descompun în particulele ale căror “urme” sunt văzute aici. În imaginile de mai jos, puteţi identifica care sunt particulele secundare şi care sunt cele finale?

Particula Z de descopune într-un lepton tau (tau minus) şi antiparticula sa leptonul antitau (tau plus). Apoi particula tau plus de descopune într-un muon plus şi neutrini, iar particula tau minus într-un electron minus si neutrini.

Particula Z de descopune într-un lepton tau (tau minus) şi antiparticula sa leptonul antitau (tau plus). Apoi particula tau plus de descopune într-un muon plus şi neutrini, iar particula tau minus în hadroni şi neutrini.

Particula Z de dezintegrează într-un cuarc şi anticuarcul său. Energia din câmpul forţei nucleare tari produce mai multe perechi cuarc-anticuarc, care apoi formează hadronii.

Acelaşi lucru ca la mai sus, cu excepţia faptului că unul din cuarci emite un gluon care se observă ca al treilea jet (a treia jerbă) de particule.

Reconstrucţia pe calculator

Se înregistrează milioane de locuri unde energia este depusă în detector în timpul evenimentelor de coliziune. Aceste informaţii reprezintă datele experimentale brute. Din acest motiv este necesar să laşi un calculator să analizeze datele şi să descifreze cele mai probabile traiectorii şi dezintegrări de particule, precum şi anomalii faţă de comportamentul aşteptat.

Acesta este o reconstrucţie pe calculator a unei eveniment de coliziunie proton-antiproton care a produs o pereche electron-pozitron, precum şi alte particule. Acest tip de eveniment, precum şi multe altele ca el au furnizat în 1983 dovada existenţei bosonului Z, una din particulele reponsabile pentru coliziunea care produce cuarci top. Tocmai prin analiza de evenimente precum acesta fizicienii au adunat dovezi ale validităţii teoriei actuale a fizicii particulelor, Modelulului Standard.

Un eveniment de tip cuarc-gluon

În aceste imagini, fascicule de electroni şi pozitroni, perpendiculare pe ecran, se întâlnesc şi se anihilează reciproc, o pereche cuarc-anticuarc fiind produsă. Fiecare cuarc s-a transformat în un mezon sau un barion care apoi de dezintegrează. Traiectoriile particulelor rezultate din dezintegrările acestea apar in poza de mai jos.

Două jerbe de particule emise spate în spate au fost iniţiate de un cuarc şi anticuarcul său care au fost emişi în direcţii opuse.

Sus, trei jerbe de particule, iniţiate de un cuarc, anticuarcul său şi un gluon, furnizează dovada existenţei gluonilor.

Epilog

Prima dumneavoastră vizită în universul subatomic a ajuns la sfârşit. Vă invităm să ne puneţi întrebări cât mai multe, să ne aduceţi sugestii, să lecturaţi articolele traduse de noi şi de ce nu, nu ne-am supăra să va alăturaţi echipei noastre!

Pentru a concluziona, aţi putut observa în această vizită tehnicile folosite pentru a examina dovezile experimentale care susţin “Modelul Standard”. Fizicienii folosesc acceleratoare de particule pe care le ciocnesc apoi pe post de "cel mai puternic microscop" care permite atât a “vedea” mai adânc înlăuntrul particulelor, la distanţe cât mai mici, cât şi a "privi" cât mai departe în timp, spre a întelege Universul la puţin după momentul Big Bangului. Ciocnirile de particule sunt colectate de detectoarele şi apoi analizate de calculatoare şi de oameni.

Niciun comentariu:

Trimiteți un comentariu