Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Благодаря всем принятым мерам и многолетней работе по усовершенствованию детектора фон счетчика в экспериментах группы Дэвиса стал 0,5 отсчетов за 35 суток измерения! А ведь в первых экспериментах по изучению различия между vHv, поставленных в 1955—1956 гг., он составлял 30—60 штук в день.
3.4. Искровая камера
Пришло время перейти от описания одного из самых малых ионизационных детекторов к описанию одного из самых больших. Он использовался в нейтринных экспериментах на ускорителях и размеры такого детектора под стать этим огромным машинам, с помощью которых физики все глубже проникают в недра вещества. Речь идет о больших искровых камерах. А искровой разряд, конечно, видел каждый из нас.
Молния ударила в высокое дерево. Представим себе, что время замедлилось и мы можем увидеть последовательную картину развития этой гигантской искры. Под действием огромной разности потенциалов потоки электронов двинулись от облака к поверхности Земли. За счет ионизации ударом, излучения фотонов возбужденными атомами и фотоионизации воздуха возникли лавины зарядов. Они слабо светятся и пробивают свой путь как бы от-
124
дельными рывками, следующими друг за другом через каждые 1СГ5 -і- 1СГ4 с. Их траектория — причудливая ломаная линия. Наконец, лавины-разведчики соединили облако и Землю проводящим шнуром — стримером, состоящим из плазмы — электронов и ионов. По этому каналу устремляется мощный поток зарядов. Молния! Длина стримера может доходить до 10" км, а диаметр — составлять десятки сантиметров. Каждый удар молнии состоит из нескольких вспышек разряда, который следует по пути, проложенному лавинами-разведчиками. Полное число вспышек может достигать пятидесяти.
Газ в канале стримера разогревается до высокой температуры, расширяется, и звук от ударной волны мы называем раскатами грома. Это могучее явление природы полностью аналогично искре, проскакивающей между плоскими пластинами камеры по пути пролетевшей частицы.
Только высокое напряжение между стенками (электродами) камеры существует недолго. Оно подается специальной электронной схемой на короткий промежуток времени после прохождения заряженной частицы. При этом используется то, что камера обладает некоторой «памятью». Электроны и ионы, из которых состоит трек уходят и рекомбинируют не сразу. После подачи напряжения на следе частицы начинают развиваться лавины, они переходят в стример и между пластинами проскакивает искра. Путь искры повторяет траекторию частицы, если последняя составляла не очень большой угол с направлением поля в камере. После того как импульс высокого напряжения кончился, кончается и разряд. Как получает электроника сигнал о том, что пора подавать на пластины высокое напряжение? Для этого впереди камеры (иногда сзади) по направлению полета частиц помещаются гейгеровские или сцинтилляционные счетчики. Они регистрируют частицу и сигнал об этом запускает систему высоковольтного питания искровой камеры. Обычно камера устроена таким образом, что электроды помещены в сосуд с газом, имеющий прозрачную стенку. Тогда искры, возникающие при прохождении частицы, можно сфотографировать и, используя несколько разрядных промежутков, наблюдать ее след (рис. 27). Итак, искровая камера относится к такому типу детекторов, который дает возможность наблюдать за траекторией частицы. Они носят название трековых.
125
В ряде экспериментов камера помещалась в магнитное поле, оно искривляло след частицы и по фотографиям можно было определить ее импульс. В самых первых
Фотоаппарат
Рис. 27. Принципиальная схема искровой камеры.
нейтринных экспериментах, поставленных на ускорителе, физики воспользовались искровой камерой и она помогла им открыть еще один «сюрприз», связанный с V. Прежде чем рассказывать об этих экспериментах, введем читателя в круг обсуждавшихся проблем.
? 3.5. Гипотеза о двух типах нейтрино
Прошло уже много лет с 1937 г., когда в составе космического излучения физики открыли вторую элементарную частицу — р.-мезон (первая — позитрон, как вы помните, была открыта в космических лучах пятью годами раньше). Ее обнаружение не было для экспериментаторов столь же неожиданным, как появление позитрона. Они давно подозревали, что жесткая компонента космического излучения состоит из какого-то неизвестного сорта однократно заряженных частиц. И доказали это. Потом, в продолжение приблизительно десяти лет, |х-мезон занимал не свое место среди элементарных частиц — считали, что это и есть предсказанная Юкавой частица, переносящая ядерное взаимодействие. Наконец, в 1947 г. открыли л-мезон, который и оказался кванто этих сил. А р-мезон остался просто тяжелым аналогом электрона (Tn11 а; 205 те), сотворенным природой с покм еще не понятными целями. Ученые внимательно исследо3
126
вали реакцию его распада, при котором возникают ?-час-тицы, нейтрино и антинейтрино. Например, для положительного мюона:
P+ —*¦ е+ 4- V + V,
(-1) -> (-1) + (4-1) 4- (-1).
Внизу под символами частиц, участвующих в реакции, приведены величины их лептонных зарядов. До и после распада сумма чисел одинакова в соответствии с законом сохранения лептонного заряда. Казалось бы, распад на позитрон и два нейтрино — не единственная возможность для р-мезона. Рассматривались и такие процессы:
