Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной
Шрифт:
Большинство заряженных частиц, однако, живут достаточно долго, чтобы добраться до следующего элемента трекера, так что чаще всего детекторы регистрируют гораздо более длинную траекторию. Для этого снаружи от внутренних пиксельных детекторов, дающих высокое разрешение в двух направлениях, располагаются кремниевые стрипы (полоски), размеры которых в одном направлении сильно уступают размерам в другом. Длинные стрипы хорошо согласуются с цилиндрической формой установки и позволяют покрыть гораздо большую площадь (не забывайте, что площадь цилиндра с увеличением радиуса быстро увеличивается).
Кремниевый трекер CMS состоит из 13 слоев в центральной части и 14 — на концах цилиндра. После первых трех мелкопиксельных слоев, которые мы только что описали, идут четыре слоя кремниевых стрипов. Детекторные элементы здесь представляют собой полоски длиной 10 см и шириной 180 мкм. Остальные шесть слоев еще менее точны и дают более грубые координаты. Полоски здесь имеют длину 20 см, а ширину от 80 до 205 мкм. Эти слои достигают радиуса 1,1 м. Полное число кремниевых полосок во внутреннем трекере CMS составляет 9,6 млн. Все они необходимы для надежного восстановления траекторий большинства пролетающих сквозь них заряженных частиц. В целом, если развернуть все кремниевые слои на плоскости, внутренний детектор CMS покроет примерно площадь теннисного корта — значительное достижение по сравнению с предыдущим кремниевым детектором, чувствительные элементы которого занимали площадь всего около 2 м2.
Внутренний детектор ATLAS доходит до несколько меньшего радиуса — 1 м — и тянется в продольном направлении на 7 м. Как и в CMS, снаружи от трех внутренних пиксельных слоев располагается полупроводниковый стриповый детектор SCT, состоящий из четырех слоев кремниевых стрипов. В ATLAS использованы полоски длиной 12,6 см и шириной 80 мкм. Полная площадь SCT также огромна и составляет 61 м2. Если пиксельные детекторы важны при восстановлении подробностей трека в самом его начале, возле точки взаимодействия, то SCT играет громадную роль в восстановлении трека в целом — ведь он регистрирует трек на гораздо более значительной протяженности и с высокой точностью (хотя и в одном направлении).
В отличие от CMS, внешний трекер установки ATLAS изготовлен не из кремния. Так называемый детектор переходного излучения TRT — самый внешний компонент внутреннего детектора — состоит из газонаполненных трубочек и служит не только трекером, но и детектором переходного излучения. Треки заряженных частиц регистрируются и измеряются, когда частицы ионизируют газ в «соломинках» — дрейфовых трубках длиной 144 см и толщиной 4 мм, снабженных в центральной части датчиками ионизации. Здесь тоже максимальное разрешение обеспечивается в поперечном направлении. «Соломинки» измеряют траектории с точностью до 200 мкм, что, конечно, меньше, чем во внутреннем трекере, зато они покрывают гораздо большую площадь. Кроме того, этот детектор помогает различить частицы, двигающиеся со скоростями, очень близкими к скорости света, и порождающими так называемое переходное излучение. Это помогает различить частицы разной массы — ведь более легкие частицы, как правило, движутся быстрее — и, соответственно, опознать электроны.
Если такое обилие подробностей кажется вам ошеломляющим, помните, что даже большинству физиков такое количество информации ни к чему. Эти данные позволяют почувствовать масштаб и точность этих великолепных инструментов и, разумеется, важны для любого, кто работает с конкретным компонентом детектора. Но даже те, кто хорошо знаком с одним компонентом, редко с таким же вниманием следят за остальными. Я узнала об этом совершенно случайно, когда пыталась выяснить авторство нескольких фотографий детектора и понять, насколько точны некоторые графики и диаграммы. Так что не расстраивайтесь, если вам не удалось понять все это с первого раза. Все эти подробности известны, конечно, немногочисленным специалистам, координирующим строительство,
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КАЛОРИМЕТР ECAL
Пройдя сквозь три типа трекеров, частица попадает в следующую по ходу путешествия секцию детектора — электромагнитный калориметр (ECAL). Этот прибор регистрирует энергию, которую отдают при торможении все частицы — и заряженные, и нейтральные, — и координаты точки, в которой они покидают (если хватает энергии) его зону; в первую очередь речь идет о фотонах и электронах. Детекторный механизм отслеживает возникновение ливня частиц, который порождают случайные электроны и фотоны при взаимодействии с веществом калориметра. Эта часть детектора выдает для каждой из этих частиц и точное значение энергии, и координатную информацию.
Материал, использованный в калориметре ECAL детектора CMS, сам по себе удивителен и заслуживает внимания. Это кристаллический вольфрамат свинца, выбранный за свою плотность и оптическую чистоту, — именно то, что нужно для торможения и регистрирования прибывающих электронов и фотонов. Возможно, по моей фотографии на рис. 36 вы сможете себе это представить. Это поразительное вещество, невероятно прозрачное. Вы наверняка никогда не видели ничего настолько плотного и при этом настолько прозрачного. Полезны эти кристаллы еще и потому, что они способны измерять электромагнитную энергию невероятно точно, а точность, как мы узнаем в главе 16, может сыграть принципиально важную роль в поисках неуловимого бозона Хиггса.
В экспериментальной установке ATLAS для остановки электронов и фотонов используется свинец. Взаимодействия, происходящие в этом поглотителе, переводят первоначальную энергию движущейся заряженной частицы в ливень частиц, суммарная энергия которых, собственно, и регистрируется. Затем эта энергия передается жидкому аргону — инертному газу, который не взаимодействует химически с другими элементами и очень устойчив к действию излучения. По его реакции можно судить об энергии первоначальной частицы.
Этот элемент детектора ATLAS произвел на меня сильное впечатление во время экскурсии. Фабиола принимала участие в разработке и конструировании этого калориметра с радиальными слоями свинцовых пластин, уложенных подобно мехам гармошки и разделенных тонкими слоями жидкого аргона и электродами. Она рассказала нам, что такое строение позволяет заметно ускорить процесс считывания результатов, потому что в этом случае электроника располагается намного ближе к элементам детектора (рис. 37).
АДРОННЫЙ КАЛОРИМЕТР HCAL
Следующим на пути от протонной трубки и зоны взаимодействия вдоль радиуса наружу располагается адронный калориметр HCAL. Этот прибор измеряет энергию и положение адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии, —хотя и менее точно, чем электромагнитный калориметр измеряет энергию электронов и фотонов.
Снижение точности—вынужденная мера. Дело в том, что HCAL громаден. В детекторе ATLAS, к примеру, этот калориметр имеет диаметр 8 м и длину 12 м. Сегментировать HCAL с той же точностью, что и ECAL, было бы неподъемно дорого, поэтому точность трековых измерений в нем сознательно снижена. Кроме того, измерять энергию частиц, участвующих в сильном взаимодействии, попросту сложнее (вне зависимости от сегментации), потому что флуктуации энергии в адронных ливнях намного больше.