Modelul StandardDupă ce un accelerator a pompat suficientă energie în particulele sale, ele se ciocnesc fie de o ţintă, fie unele cu celelalte. Fiecare dintre aceste coliziuni poartă numele de eveniment. În continuare vorbim despre analiza coliziunilor de particule.

 

 

 

Accelerarea particulelor (8)


Scopul fizicienilor este de a izola fiecare eveniment, de a colecta date referitoare la el şi de a verifica dacă procesele identificate în cadrul acestui eveniment sunt conforme cu teoria, teorie care este astfel testată.

eveniment

Fiecare eveniment este foarte complicat din moment ce multe particule sunt produse. Cele mai multe dintre aceste particule au o 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 fizician 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 particulelor şi din acestea să deducă existenţa acestor particule.

fizician detectiv

Aha! Aşadar dacă văd un proton şi un electron pot bănui 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 de particule pentru o analiză ulterioară.

Urmărind fiecare eveniment, calculatoarele colectează şi interpretează marea cantitate de date din detectoare şi prezintă rezultatele fizicienilor.

 

Diferite forme de detectoare

Fizicienii sunt curioşi cu privire la 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.

 

detector pentru tinta fixa

Detector pentru experimente cu ţinta fixă: în cadrul unui experiment cu ţintă fixă particulele produse merg în general către în faţă, deci detectoarele sunt de forma unui con şi sunt plasate “în aval” faţă de punctul de coliziune.

 

detector ciocniri de fascicule

Detector pentru ciocniri de fascicule: în timpul unui experiment de ciocniri de fascicule, 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.

detector modern

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 electron-pozitron. Electronii şi pozitronii sunt deviaţi de câmpurile electrice ale atomilor, provocând astfel fotoni. Fotonii produc apoi la rândul lor perechi e-/e+, care apoi radiază iarăşi fotoni, etc. Numărul final de perechi e+/e- este proporţional cu energia particulei iniţiale.

Calorimetru hadronic (calorimetrul de hadroni): Dispozitivul măsoară energia totală a hadronilor. Hadronii interacţionează cu materialul dens din această 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 miuonilor: Doar miuonii şi neutrinii ajung atât de departe. Miuonii sunt detectaţi, însă neutrinii care interacţionează foarte 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.

componente detector

Interacţiunea mai multor particule cu diferitele componente ale unui detector. Neutrinii nu sunt ilustraţi în această 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 mezon 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 ar 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.

 

intrebare

Întrebare: Un electron şi un pozitron au fost produşi când o particulă şi antiparticula sa s-au ciocnit, intrând şi ieşind din ecran. Ce lege a conservării pare a fi încălcată 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.

 

electron pozitron



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 a unei particule poate fi uşor identificat după traiectoria acesteia, din moment ce particulele pozitive şi negative îşi curbează traiectoria în direcţii opuse atunci când se află în acelaşi câmp magnetic.

magnet

Impulsurile particulelor 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.

 

magnet



Secţiune transversală printr-un detector

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

sectiune transversala prin detector

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

 

descompunere 1

Particula Z se descompune într-un electron şi în antiparticula sa, un pozitron.

 

descompunere 2

Particula Z se descompune într-un miuon şi antiparticula sa, un antimiuon.

 

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?

descompunere 3

Particula Z se descompune într-un lepton tau (tau minus) şi antiparticula sa, leptonul antitau (tau plus). Apoi, particula tau plus se descompune într-un miuon plus şi neutrini, iar particula tau minus într-un electron minus şi neutrini.

 

descompunere 4

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

 

descompunere 5

Particula Z se dezintegrează într-un quarc şi anti-quarcul său. Energia din câmpul forţei nucleare tari produce mai multe perechi quarc-antiquarc, care apoi formează hadronii.

 

descompunere 6

Acelaşi lucru ca mai sus, cu excepţia faptului că unul din quarcuri 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.

reconstructie

Aceasta este o reconstrucţie pe calculator a unui eveniment constând în coliziuni proton-antiproton care a produs o pereche electron-pozitron, precum şi alte particule. Acest tip de eveniment, precum şi multe altele similare,l au furnizat în 1983 dovada existenţei bosonului Z, una dintre particulele responsabile pentru coliziunea care produce quarcuri top. Tocmai prin analiza de evenimente precum acesta fizicienii au adunat dovezi ale validităţii teoriei actuale a fizicii particulelor, Modelul Standard.

 

Un eveniment de tip quarc-gluon

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

eveniment quarc gluon

Două jerbe de particule emise au fost iniţiate de un quarc şi anti-quarcul său, care au fost emişi în direcţii opuse.

 

eveniment quarc gluon

Sus, trei jerbe de particule, iniţiate de un quarc, anti-quarcul său şi un gluon, furnizează dovada existenţei gluonilor.

 

Epilog

Prima dumneavoastră vizită în universul subatomic a ajuns la final. Pentru a concluziona, aţi aflat pe parcursul seriei de articole tehnicile folosite pentru a examina dovezile experimentale care susţin “Modelul Standard”. Fizicienii folosesc acceleratoare de particule pe post de "cele mai puternice microscoape" care le permit atât să “vadă” cât mai adânc înlăuntrul particulelor, la distanţe cât mai mici, cât şi să "privească" cât mai departe înapoi în timp, spre a înţelege Universul aşa cum arăta acesta la puţin după momentul Big Bang-ului. Evenimentele corespunzătoare ciocnirilor de particule sunt sesizate şi înregistrate de detectoare şi apoi analizate de calculatoare şi de oamenii de ştiinţă.

Traducere de Marinela Spiridon de pe Particle Adventure.