Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
500 -г- 2000 В) и делителя из сопротивлений. Электрический импульс с анода поступает на электронную схему и, в конце, на экран анализатора.
Сцинтилляционный счетчик сыграл большую роль в исследованиях по ядерной физике и физике элементарных частиц.
Можно перечислить целый ряд выдающихся экспериментов, где он был применен:
1. Открытие антипротона и антинейтрона (опыты Сегре и др.).
2. Регистрация нейтрино от ядерного реактора (опыты Рейнеса и Коуэна).
3. Доказательство несохранения четности в слабых взаимодействиях (опыт By и др.).
4. Рассеяние нейтрино на электроне (опыт Рейнеса и др.).
5. Подземные эксперименты с космическими нейтрино.
6. Опыты по поиску двойного бета-распада и т. д.
91
1.6. Сцинтиллятор для нейтрино
Мы уже говорили, что пятидесятые годы — период бурного развития техники сцинтилляционно-го счета. Взоры физиков, занимающихся погоней за нейтрино, сначала обратились к жидким сцинтилляторам. Дело в том, что выращивать кристаллы, органические и неорганические,— сложное и дорогое дело. А их требуется очень много. Другое дело жидкости, хотя и с ними было много трудностей. В жидких сцинтиллятор ах ам растворитель (толуол, бензол, декалин и т. п.) обычно обладает лишь очень слабыми сцинтилляционными свойствами и в него необходимо ввести специальные добавки — активаторы, которые «перехватывают» энергию от молекул растворителя и эффективно превращают ее в свет. Отработка таких сложных по составу растворов заняла много времени. Кроме того, все компоненты жидкого сцинтил-лятора должны были иметь высочайшую химическую чистоту, так что химикам и физикам хватало неприятностей, пока они учились получать жидкие сцинтилляторы в большом количестве.
Теперь нам осталось всего несколько страниц до начала нейтринного эксперимента, один шаг. Пропустить его нельзя, иначе невозможно понять красоту опыта, усилия и талант экспериментаторов. Итак — о фонах.
1.7. Источники фона
Проблема фона волнует не только тех физиков, которые занимаются нейтрино. Да и не только физиков, но и химиков, биологов, техников. Точность любого измерения малой активности всегда зависит от того, насколько сильно удастся подавить фон. А чтобы его подавить, необходимо хорошо знать его природу, свойства фоновых частиц. Можно вспомнить достаточно много грустных случаев, когда неучтенный фон принимался за эффект, которого на самом деле не существовало. Это приводило к совершенно ошибочным результатам измерений. И рождались сенсации — иногда короткие, иногда такие, для опровержения которых требовались годы. Что греха таить, такие случаи можно найти и в истории нейтринных исследований и в экспериментах по бета-роспаДУ- Если вы помните, мы говорили о том, что
92
теория Ферми несколько раз подвергалась пересмотру и ее «выправляли» и усложняли. Этому в немалой степени способствовал неправильный учет фоновых процессов. В конце концов, более совершенная аппаратура подтверждала гениальную интуицию Ферми.
Первая составляющая фона связана с космическим излучением. Мы уже говорили об его обнаружении но разрядке электроскопов и о тех неприятностях, которые это приносило физикам, занимавшимся в XIX веке опытами по электричеству (например, Ш. Кулону). Но вот, ученые выяснили причину фона.
Неуловимый вредитель стал для физиков верным союзником. До создания ускорителей элементарных частиц космические лучи являлись единственным источником излучения большой энергии. Опыты с ними позволили понять многие закономерности микромира и обнаружить новые элементарные частицы: позитрон, |я- и ет-мезоны. Интереснейшее явление — космические ливни— были исследованы и объяснены советскими физиками Д. В. Скобельцыным, Л. Д. Ландау, И. Е. Таммом и и др. Позже мы еще вернемся к вопросу о космическом излучении, а сейчас оно будет интересовать нас лишь как источник фона в нейтринных экспериментах. Потоки частиц из космоса падают на границу земной атмосферы. Те из них, которые обладают достаточной энергией и могут избегнуть глубокой ловушки — магнитного поля Земли, устремляются к поверхности нашей планеты. И ко взаимодействии с ядрами кислорода и азота рождают новые частицы.
Что же регистрирует наблюдатель в лаборатории? Он видит, что излучение разделяется на три компоненты: электроны, позитроны и гамма-кванты — это мягкая компонента; частицы, которые участвуют в ядерном взаимодействии — нуклоны, л-мезоны — ядерная компонента; наконец, положительные и отрицательные |і-ме-зоны — жесткая компонента. Уже сами названия подсказывают возможность защиты детектора от каждой из этих компонент. Мягкая — поглощается слоем евпнца толщиной в 10—15 см (пассивная защита). Избавиться от ядерной компоненты труднее — для ее поглощения требуется 2—3 м железа или 15—20 м воды. Поэтому, если представляется такая возможность, детектор помещают в подземное помещение. Остаются мюоны больших энергий, глубоко проникающие под землю. Борьба с ними ве-
03
дется с помощью так называемой активной защиты. Установку стараются окружить, особенно сверху, либо баками с жидким сцпнтиллятором, либо пластинами из сцинтилляционной пластмассы, либо черенковскими или газовыми счетчиками. Мезоны, попавшие в основной детектор, с большой вероятностью проходят через детекторы активной защиты и регистрируются в них. Электрон-пая "хема следит за тем, когда импульсы от основного детектора и защитных совпадут по времени, и относит такое событие к фоновым. Полностью подавить мезонный фон не удается, так как эффективность регистрации активной защиты не может быть 100%, но удается уменьшить его в сотни и тысячи раз.
