Particule subatomice evidențiate în camera cu bule (1978, Fermilab)
Click pe imagine pentru o rezoluție superioară
Particulele subatomice sunt imposibil de observat cu ochiul liber. Sunt prea mici și, pe de altă parte, ochiul poate observa doar fotoni (ori obiecte ce emit fotoni). Cum detectează (fac vizibile) cercetătorii alte particule subatomice?
Atunci când văd în diverse materiale de popularizare a științei diverse reprezentări ale particulelor subatomice, probabil puțini se gândesc la faptul că noi nu „vedem”, la modul în care vedem o masă, acele particule. Diferența este că o particulă precum electronul sau neutrino are nevoie de o dublă „decodificare” pentru a crea o reprezentare în creierul uman, în comparație cu un obiect precum o banală masă. Pentru a observa o masă înseamnă să captăm fotonii reflectați de aceasta (în limitatul spectru vizibil al luminii), creierul având ulterior rolul de a construi o imagine pentru respectivul obiect. Dar pentru a observa un neutrino, de exemplu, trebuie să inventăm o mașină care să facă în așa fel încât să-l „forțeze” pe neutrino să lase o urmă, să genereze electricitate, pe care să o transformăm în semnal inteligibil pentru ochii noștri. Nu putea vedea direct un neutrino, dar putem vedea rezultatul interacțiunii acestuia cu materia.
Cum accesul nostru la „realitate” este mediat, atât de organele de simț, cât și de diverse instrumente, o concluzie este că ne este imposibil să știm cum arată natura în sine. Pe acest subiect puți citi articolul nostru: De ce nu există realitate ultimă
Dacă tot am menționat neutrino, vă invit să citiți și unul dintre articolele noastre dedicate acestui subiect, pentru o mai bună familiarizare: Neutrino, particula fantomă
Detectoarele de particule
Cum nu putem observa particulele subatomice cu ochiul liber, oamenii de știință au inventat detectoarele de particule. Acestea „materializează” ceea ce ne este invizibil. Iar de multe ori rezultatul este aproape de o operă de artă, așa cum puteți vedea în imaginea de mai sus (o combinație unică de forme geometrice rezultate în urma interacțiunii particulelor cu mediul în care sunt evidențiate).
Atunci când particulele se deplasează printr-un anumit mediu (pregătit și observat de cercetători), acestea lasă „urme” sub formă de lumină, căldură sau sarcini electrice. Aceste tipuri de semnale au permis construirea grandioasei teorii a modelului standard al particulelor elementare, care explică o bună parte din univers (nu explică gravitația, de exemplu, sau materia întunecată și energia întunecată, printre altele; cam 95% din univers e lăsat de-o parte, în fapt :) ).
Citește și: Scurtă introducere în modelul standard al particulelor elementare
Camera cu ceață
Una dintre primele metode de vizualizare a traiectoriilor particulelor a fost camera cu ceață. Aceasta a fost concepută acum mai bine de o sută de ani și era umplută cu gaz, adesea vapori de alcool, aflat în pragul condensării.
O particulă energetică precum o particulă alfa (doi protoni și doi neutroni legați între ei într-o particulă identică cu un nucleu de heliu) sau o particulă beta (electron sau pozitron de mare energie) interacționează cu vaporii, electronii sunt dislocați din moleculele de gaz prin intermediul forțelor electrostatice, rezultând traiectorii ușor identificabile, ca urmare ionizării particulelor de gaz.
Un ion este un atom (o moleculă sau un grup de atomi) care nu este neutru din punct de vedere electric. De exemplu, un atom care primeşte un electron devine ion negativ, iar un atom care cedează un electron devine ion pozitiv.
Așadar, când o particulă alfa sau o particulă beta interacționează cu vaporii, îi ionizează. Acești ioni se comportă ca zone de condensare, în jurul cărora se va forma ceață (deoarece amestecul este în pragul condensului). Aceste traiectorii „desenate” de particule au forme distincte. De exemplu, urma lăsată de o particulă alfa este largă și dreaptă, iar cea a unui electron este mai îngustă și deviată.
Traiectoria unei particule în camera cu ceață a fost prima dovadă a existenței pozitronului, antiparticula electronului. Traiectoria este curbată din cauza câmpului magnetic exercitat asupra camerei.
Credit: C. D. Anderson
Prezența unui câmp magnetic puternic face ca particulele cu sarcină electrică să deseneze traiectorii curbate. Cât de curbată este traiectoria este corelat cu impulsul particulei, oferind, așadar, informații suplimentare despre particulă.
Camera cu ceață a permis descoperiri uimitoare acum mai mult de o sută de ani, precum cea a pozitronului sau a miuonului, într-un timp în care fizicienii erau siguri de existența unui număr foarte redus de particule.
Dacă nu ți-e clar ce este cu aceste particule menționate în acest articol, citește articolul nostru explicativ cu privire la tabloul complet al particulelor elementare.
Camera cu bule
Anii '50 ai secolului trecut au fost dominați de camera cu bule. O cameră cu bule este un vas umplut cu un lichid transparent supraîncălzit (adesea hidrogen lichid) folosit pentru a detecta particule încărcate electric care se deplasează prin acesta. A fost inventat în 1952 de Donald Glaser, pentru care a primit în 1960 Premiul Nobel pentru fizică.
Camera cu bule este similară camerei cu ceață. Este de regulă creată prin umplerea unui cilindru mare cu un lichid încălzit până aproape de punctul său de fierbere. În timp ce particulele intră în cameră, un piston îi reduce brusc presiunea, iar lichidul intră într-o fază de supraîncălzire, metastabilă. Particulele încărcate electric creează o dâră de ionizare în jurul căreia lichidul se evaporă, formând bule microscopice. Densitatea bulelor în jurul acestei traiectorii este proporțională cu cantitatea de energie pierdută de particulă.
În imagine: un kaon, particulă subatomică, care se descompune în alte particule ce descriu traiectorii specifice.
Odată cu acest nou dispozitiv, camera cu bule, apar și acceleratoarele de particule, care produc fluxuri de particule care se ciocnesc unele de altele. Aceste coliziuni produc noi particule, care nu existau înainte de coliziune. Cercetătorii au folosit camera cu bule pentru a observa ce se întâmplă în urma coliziunii de particule.
Da, pare ciudat, dar particulele se creează aparent din nimic și unele au proprietatea ciudată de a-și schimba identitatea. Citește acest articol pentru câteva exemple de transformări ale particulelor elementare în alte particule elementare.
Marea cameră europeană cu bule. Imagine din timpul instalării, Cern, Geneva, 1973
Era digitală a detectării de particule
Camera proporțională multifilară
Instrumentele descrise mai sus se foloseau de un instrument relativ primitiv (în raport cu nevoile cercetătorilor) pentru a capta rezultatul: camera foto. În plus, evenimentele rare, cum ar fi apariția rară a unei particule pe timpul unui fenomen studiat, era dificil de surprins cu aparatul de fotografiat. Era nevoie de o schimbare, care a fost posibilă odată cu evoluția tehnologică (apariția și utilizarea computerelor moderne).
În imagine: un proton și un antiproton s-au ciocnit și s-au anihilat, producând noi particule, ale căror traiectorii au fost monitorizate și captate.
Credit: Peter I.P. Kalmus, UA1 Experiment/Science Source
În 1968 a fost inventată o nouă tehnologie: camera proporțională multifilară, care înregistrează sarcinile produse atunci când particulele dislocă electroni dintr-o cameră cu gaz. Această metodă captează milioane de traiectorii ale particulelor pe secundă, mult mai mult decât ar putea să facă o cameră cu bule. Iar datele merg direct într-un computer pentru analiză.
Camera proporțională multifilară a revoluționat fizica particulelor și a dus la descoperiri extraordinare, cum ar fi descoperirea quarcului charm și a gluonului în anii '70 și a bosonilor W și Z în anii '80.
Camera cu proiecție temporală
Camera cu proiecție temporală cu argon lichid este un urmaș mult mai avansat al camerei proporționale multifilare. Noul detector va juca un rol cheie în experimentele care se vor desfășura în cadrul Deep Underground Neutrino Experiment din Dakota de Sud, SUA. Acest nou detector este de mare rezoluție, permițând cercetătorilor o vizualizare în 3D a interacțiunilor particulelor. Cum neutrino este o particulă foarte mică ce interacționează foarte rar cu materia obișnuită, detectarea acestuia cere tehnici foarte avansate.
Lumina, ca element de detecție a particulelor
Detecția neutrino
Atunci când o anume particulă se deplasează cu o viteză mai mare decât o anumită limită într-un material, aceasta emite lumină, cunoscută drept „lumină Cherenkov”.
Particulele încărcate electric pot, de asemenea, să emită lumină atunci când trec prin materiale „îmbibate” cu anumite substanțe chimice, denumite „scintilatoare”.
În imaginea de mai sus, obținută în cadrul proiectului NOvA de la Fermilab, SUA, tuburi cu scintilatoare lichide identifică neutrino care interacționează în interiorul detectorului. Observăm cum un neutrino intră din partea stângă și produce o suită de particule. Neutrino nu este vizibil, pentru că nu are sarcină electrică, dar observăm efectele interacțiunii acestuia cu materia.
Detectoarele cu scintilatoare și-au dovedit utilitatea în 1956, atunci când s-a reușit detectarea neutrino, despre care se credea că este imposibil să fie măsurat.
Detectoarele cu scintilatoare lichide sunt încă utilizate; de exemplu, în cadrul proiectului NOvA la Fermilab.
Cum detectăm neutrino?
Am tot menționat neutrino, o particulă fascinantă, care-și poate schimba identitatea. Dar cum anume îl detectăm, în fapt?
În esenţă, iată în ce constă comportamentul neutrino atunci când interacţiunea dintre un neutrino şi un atom de materie are loc (aspect evidenţiat în detectoarele de neutrino, cum este, printre altele, Fermilab):
→ neutrino interacționează prin intermediul forţei nucleare slabe (forţa nucleară slabă este generată de schimbul de bosoni W și Z, care reprezintă particulele purtătoare ale acestei forțe. Efectele cele mai cunoscute ale acestei forţe sunt: dezintegrarea beta (emisiile de electroni sau pozitroni de către neutroni în cadrul nucleelor atomice) și majoritatea proceselor de radioactivitate. Bosonii W şi Z sunt particule masive, de circa 100 de ori mai grele decât un proton (deşi uneori au o masă mai mică, un efect al principiului incertitudinii al lui Heisenberg), şi au o durată de „viaţă” foarte scurtă.
→ interacţiunea apare când neutrino, aflat în a apropierea nucleului atomic, loveşte una dintre particulele din nucleul atomului şi emite un boson W sau Z.
→ bosonul emis loveşte la rându-i alte particule din nucleul atomic, iar în urma acestei ciocniri rezultă alte particule.
→ particulele emise sunt detectate prin intermediul unor semnale electrice generate la nivelul elementelor detectorului de neutrino, în felul acesta identificându-se un eveniment de interacţiune dintre un neutrino şi materie.
Detectoarele moderne folosesc câte puțin din toate tehnologiile
Detectoarele moderne de particule, precum Marele Accelerator de Hadroni de la Cern, Geneva, folosesc toate tehnologiile inventate în trecut, în diverse proporții. Enorme în dimensiuni (în raport cu cele inițiale), acceleratoarele moderne utilizează detectoare cu scintilatoare de plastic, detectoare Cherenkov și versiuni modernizate ale camerelor proporționale mutifilare. Includ, de asemenea, detectoare din siliciu care pot măsura în mod precis traiectoriile particulelor pe baza curenților electrici produși la trecerea particulelor. Aceste detectoare se folosesc de magneți extraordinar de puternici. După ce particulele se ciocnesc la mijlocul detectorului, computerele analizează datele și identifică ce s-a întâmplat pe timpul ciocnirii, identificând traiectoriile particulelor și tipurile de particule (dat fiind că traiectoria spune ceva despre identitatea particulei).
Una peste alta, indiferent de tehnicile utilizate, cercetătorii reușesc un lucru incredibil: să facă invizibilul vizibil, să identifice cu ajutorul tehnologiei moderne ceea ce, prin mijloacele noastre biologice nu am putea face niciodată.
Inspirat de: ScienceNews
